DE3222363A1

DE3222363A1 - Anordnung zur drehzahlregelung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3222363A1
Application number: DE19823222363
Authority: DE
Inventors: Helmut Janetzke; Helmut 7141 Schwieberdingen Kauff; Herbert Dr.-Ing. 7250 Leonberg Stocker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-06-15
Filing date: 1982-06-15
Publication date: 1983-12-15
Also published as: JPS593140A; GB2123186B; GB2123186A; JPH0530980B2; GB8312412D0; US4658783A; DE3222363C2

Description

κ. 178 53

9.6.1982 Wt/Jä

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Anordnung zur Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine Stand der Technik

Die Erfindung geht aus -von einer Anordnung nach der Gattung des Hauptanspruches.

Es ist bekannt, für den Betrieb von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, Anordnungen vorzusehen, die die Drehzahl der Brennkraftmaschine regeln. Von besonderem Interesse ist dabei die Regelung der Leerlaufdrehzahl. Ist nämlich ein Kraftfahrzeug mit Verbrauchern ausgestattet, die zu- und abschaltbar sind und eine nennenswerte mechanische Belastung darstellen, kann im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine ein starkes Einbrechen der Drehzahl bzv. ein Stillstand dann eintreten, wenn ein derartiger Verbraucher plötzlich zugeschaltet wird. Dies kann beispielsweise dann eintreten, wenn bei stehendem Fahrzeug mit laufender Brennkraftmaschine eine Klimaanlage, ein Automatikgetriebe, eine Servolenkung oder dergleichen betätigt wird. Bei ungeregelter Brennkraftmaschine kann die Gesamtbelastung so groß werden, daß die Brennkraftmaschine abgewürgt wird. Darüber hinaus ist man im Zuge der Bemühungen, Energie zu sparen, bestrebt, eine möglichst niedrige Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine einzustellen. Eine derartige Leerlaufdrehzahlregelung hat darüber

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hinaus Bedeutung beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine sowie bei besonderen Betriebsarten, vie beispielsweise einem Freilaufbetrieb und dergleichen.

Zur Regelung der Leerlaufdrehzahl ist es bekannt, an sich bekannte P-, PI- oder PID-Regler zu verwenden. Dabei vird im allgemeinen jedoch nur eine Regelung derart durchgeführt, daß die Abweichung der Motordrehzahl von einer Solldrehzahl erfaßt wird. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der US-PS 3 661 131 beschrieben. Derartige reine Drehzahlregler haben jedoch den Nachteil, daß die Regelung relativ langsam wirksam wird, weil ein Drehzahlabfall oder ein Drehzahlanstieg lediglich die letzte Auswirkung sich ändernder Betriebsumstände ist. Dies führt dazu, daß unterschiedliche Betriebs zustände der Brennkraftmaschine nicht unterschieden werden können. So erkennt ein reiner Drehzahlregler beispielsweise nicht, ob ein Kraftfahrzeug im Leerlauf steht oder im Schubbetrieb rollt. Im letztgenannten Falle wird der Regler bis zum Anschlag auf den Wert Null heruntergefahren sein, so daß das Stellglied - üblicherweise ein Bypass-Ventil zur Drosselklappe - vollständig geschlossen ist. Aufgrund der recht hohen Drehzahl im Schubbetrieb wird dann die Brennkraftmaschine das Saugrohr jedoch vollständig leergesaugt haben. Tritt nun der. Fahrer im Schubbetrieb die Kupplung und sind größere Verbraucher, etwa eine Klimaanlage zugeschaltet, kann trotz sofortigen Öffnens des Stellgliedes kaum Einfluß auf den dynamischen Drehzahlverlauf genommen werden, da zunächst das Saugrohr gefüllt werden muß. Dies manifestiert sich in einem starken Unterschwingen des Drehzahlverlaufes, das unter Umständen zu einem Stillstand der Brennkraftmaschine bei Unterschreiten der Laufgrenze führen kann. In einem derartigen Betriebsfall erweist sich demnach eine leerlaufgeregelte Brennkraftmaschine als nach-

teilig gegenüber einer nicht geregelten, da "bei dieser stets eine gewisse Restluft durch die Leerlaufeinstellschraube vorhanden ist, so daß das Saugrohr nie vollständig leergesaugt werden kann. Der vorstehend als nachteilig geschilderte Betriebszustand bei leerlaufgeregelten Brennkraftmaschinen kann im übrigen auch bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe auftreten, wenn im Schubbetrieb stark abgebremst wird, da dann die Getriebesteuerung wegen der absinkenden Fahrgeschwindigkeit eine Rückschaltung einleitet und damit den Kraftschlüß zwischen Motor und Getriebe kurzzeitig auftrennt.

Zwar ist es aus der WO-A1 -8I./OI 591 bekannt, zur Leerlaufregelung von Brennkraftmaschinen den Ansaugdruck der Brennkraftmaschine heranzuziehen, die bekannte Einrichtung verwendet jedoch lediglich den Ansaugdruck, so daß eine exakte Einhaltung einer Leerlaufdrehzahl nicht gewährleistet ist. Damit ist insbesondere ein stationäres Einhalten einer vorgegebenen Solldrehzahl nicht gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Verwendung eines Zustandsreglers eine optimale Regelung der Antriebseinheit möglich ist, so daß sowohl im stationären Betrieb wie auch bei Übergangsfällen eine exakte Leerlaufdrehzahlregelung möglich ist. Dadurch wird einmal eine Kraftstoffeinsparung und eine Verminderung der Schadstoffemission erreicht, zum anderen ist gewährleistet, daß auch unter extremen Betriebsbedingungen, etwa beim Zu- und Abschalten von leistungsintensiven Verbrauchern, ein Abwürgen oder ein Hochdrehen der Brennkraftmaschine sicher vermieden wird.

-*-- -1/Ö53:

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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.

So ist die erfindungsgemäße Anordnung unabhängig von der Art des verwendeten Stellgliedes zur Regelung der Leerlaufdrehzahl und kann sowohl bei Verwendung von Bypass-Ventilen als auch bei motorisch betätigten Drosselklappen verwendet werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich schließlich ein Zustandsregler erwiesen, bei dem ein Lastsignal einmal gegenkoppelnd proportional und zum anderen mitkoppelnd verzögert zur Regelung herangezogen wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung sowie der baigefügten Zeichnung.

Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. ein Systembild einer Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine mit Bypass-Ventil; Fig. eine Anordnung zur elektromotorischen Verstellung einer Drosselklappe; Fig. 3 ein Modell eines Antriebs einer Brennkraftmaschine in Form eines Blockschaltbildes; Fig. h eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zustandsreglers; Fig. 5 eine detaillierte Darstellung des in Fig. k gezeigten Reglers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 bezeichnet 10 das Saugrohr einer Brennkraftmaschine

J J 3 5 J

11, wobei die Zufuhr des Betriebsgemisches über eine Drosselklappe 12 geregelt wird. Die Zufuhr des Betriebsgemisches ist mit Pfeilen 13 angedeutet. Zur Regelung der Leerlaufdrehzahl ist ein Bypass 1 if- vorgesehen, in dem sich ein Bypass-Ventil 15 befindet, das mit einem Kegelsitz den Bypass 1k versperren kann. Zur Betätigung des Bypass-Ventils 15 ist eine Spule 16 vorgesehen, die von einem Regler 17 mit einem Stellsignal BP angesteuert wird. Dem Regler 17 werden Eingangssignale zugeführt und zwar zum einen ein Lastsignal ρ von einem Drucksensor 1.8 im Saugrohr 10 und zum anderen ein Motordrehzahl-Signal n„ von einem Drehzahlsensor 19» der mit der Motorwelle 20 der Brennkraftmaschine 11 zusammenwirkt. Schließlich wird dem Regler 17 noch ein Drehzahl-Sollwert n„ von einer Klemme 21 zugeführt.

Zur Regelung der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine wird bei üblicherweise geschlossener Drosselklappe 12 über die Spule 16 das Bypass-Ventil 15 so eingestellt, daß die Leerlaufdrehzahl gerade der Solldrehzahl η entspricht.

Hierzu bildet der Regler 17 in einer weiter unten noch beschriebenen Weise aus den Eingangsgrößen p, n_M und n_g das Stellsignal BP für die Spule 16. Es versteht sich dabei, daß statt des Drucksignales ρ auch ein anderes, die Belastung der Brennkraftmaschine darstellendes Signal, etwa ein Drehmomentsignal, herangezogen werden kann.

Statt des in Fig. 1 verwendeten Bypass-Ventils 15 kann mit besonderem Vorteil auch eine elektromotorische Verstellung der Drosselklappe 12 verwendet werden, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Hierzu ist die Drosselklappe 12 mit einem Gestänge 22 versehen, das zu einem Zahnrad 23 führt, das seinerseits mit einer Schnecke 2k kämmt. Die Schnecke 2k

■2-

wird von einem Motor 25 angetrieben, der vom Regler 17 angesteuert wird. Im üblichen Fährbetrieb wird die Drosselklappe 12 dabei entweder direkt von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Fahrpedal betätigt oder das Fahrpedal wirkt über eine ebenfalls nicht dargestellte Servoeinrichtung auf den Motor 25, wie dies in dessen Zuleitung gestrichelt angedeutet ist. Bei üblicherweise geschlossener Drosselklappe 12 kann dann die Leerlaufdrehzahl durch elektromotorische Verstellung der Drosselklappe 12 über den Regler 17 eingestellt werden.

Zum Verständnis des erfindungsgemäß verwendeten Zustandsreglers ist in Fig. 3 ein Teil eines Modelles dargestellt, wie es für einen Antrieb in einer Brennkraftmaschine aufgestellt werden kann. Als Eingangsgrößen wirken dann einmal die Drosselklappe und das Bypass-Ventil, wie dies durch die Signalbezeichnungen DK bzw. BP und die zugehörigen Bezugszeichen 12 und 15 für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angedeutet ist. Diese Signale setzen sich in einem ersten Summenpunkt 30 additiv zusammen, so daß sich eine zufließende Luftmasse/Zeit m einstellt. Von dieser zu-

zu

strömenden Luftmasse/Zeit ist die abströmende Luftmasse/

Zeit m , abzuziehen, wie dies im zweiten Summenpunkt 31 a υ

dargestellt ist. Die resultierende Luftmasse/Zeit wird in der Regelstrecke integriert, wie dies ein erster Integrator 32 darstellt. Diese integrierte Große manifestiert sich als Druck p, der eine zuverlässige Last information darstellt. Aus dem Druck ρ ergibt sich über einen in Fig. 3 nicht näher dargestellten und im vorliegenden Zusammenhang nicht weiter interessierenden Streckenteil 33 das Motormoment M ,

von dem im dritten Summenpunkt 3^ ein Lastmoment M_T abzu-

ziehen ist, das auch die zusätzlichen Belastungen des Motors, etwa durch leistungsintensive Verbraucher, darstellt. Das resultierende Moment am Ausgang des dritten Summenpunktes

-V-

, ι j

3^ wird unter Berücksichtigung des wirkenden Trägheitsmomentes in einem zweiten Integrator 35 integriert und führt zur Motordrehzahl n„,.

Auf diese Weise läßt sich eine Strecke 29 als Modell, für eine Brennkraftmaschine beschreiben, wobei regelungstechni ;;ch gesprochen zwei wesentliche Zustandsgrößen auftreten. Als solche werden üblicherweise Ausgangsgrößen von Integratoren bezeichnet, die im vorliegenden Modell durch die Integratoren 32 und 35 dargestellt werden. Ein idealer Zustandsregler verarbeitet demnach für die Strecke 29 die Größen "Druck p" sowie "Motordrehzahl η,„". Wie man aus dem Modell gemäß

Fig. 3 leicht ersehen kann, wirkt die Zustandsgröße ρ wesentlich früher in der Strecke 29 als die Größe η , so daß das Heranziehen der Größe ρ zu einer sehr viel effektiveren Lösung führt, da einige Veränderungen in der Regelstrecke 29 schon viel früher erkannt und geregelt werden.

Ein erfindungsgemäßer Zustandsregler kann prinzipiell so aufgebaut sein, wie dies in Fig. h in Form eines Blockschaltbildes dargestellt ist.

Dabei wird eine Solldrehzahl η über eine Proportional-

D-

stufe Uo einem vierten Summenpunkt U1 zugeführt, an dessen Ausgang das Stellsignal BP für die Strecke 29 erscheint. Die Strecke 29 wird ihrerseits von verschiedenen Umgebungseinflüssen, die mit Pfeilen angedeutet sind, beaufschlagt, beispielsweise von der Drosselklappenstellung, der Fahrbahnsteigung, den Fahrzeugdaten, den zugeschalteten Verbrauchern, dem Luftdruck und dergleichen. Als Zustandsgrößen stellen sich - wie oben zu Fig. 3 erläutert - die Größen ρ und η ein. Der vierte Summenpunkt h1 ist an einen fünften Summenpunkt Ug anges.chlos-sen, der üb'e'r ^drei Eingänge verfügt. Der erste nicht invertierende Eingang ist über eine Proportionalstufe 1(3 mit der Größe n„ beauf-

schlagt, der zweite, ebenfalls nicht invertierende Eingang ist über eine Proportionalstufe kk mit der Größe ρ beaufschlagt und der dritte, invertierende Eingang wird über eine Verzögerungsstufe h^ ebenfalls mit der Größe ρ angesteuert. Da der fünfte Summenpunkt k2 an einen invertierenden Eingang des dritten Summenpunktes Hl angeschlossen ist, wirken die Proportionalstufen ^3, *+^ insgesamt gegenkoppelnd und die Verzögerungsstufe ^5 mitkoppelnd. Schließlich kann in Ausgestaltung der Erfindung noch ein Kennfeld 57 vorgesehen sein, über das die Zeitkonstante der Verzögerungsstufe U5 in Abhängigkeit von der Solldrehzhal n„, der Motordrehzahl η und der Stellung s eines nicht dargestellten Schalters einstellbar ist.

Wenn das Fahrzeug steht und der Motor leerläuft, wird die Motordrehzahl stationär im wesentlichen über die Proportionalstufe h3 auf den Wert der Solldrehzahl geregelt. Wird in diesem Betriebszustand nun zusätzlich ein leistungsstarker Verbraucher zugeschaltet, tritt gleichzeitig ein Drehzahlabfall und damit verbunden eine Erhöhung des Absolutdruckes ρ ein. Damit vermindert sich einmal unmittelbar das Ausgangssignal des fünften Summenpunktes \2 über die Porportionalstufe i+3, zum anderen tritt eine verzögerte weitere Verminderung über die Verzögerungsstufe ^5 ein. Dies führt zu einer Erhöhung des Stellsignales BP am Ausgang des vierten Summenpunktes H1 und damit zu einer Erhöhung der Füllung der Brennkraftmaschine. Damit nimmt eedoch gleichzeitig der absolute Druck ρ wieder ab und die Motordrehzahl wieder zu, bis stationär die Solldrehzahl wieder erreicht ist.

Wenn in einem anderen Betriebsfall das Fahrzeug im Schubbetrieb rollt und bei gelöstem Fahrpedal die Drosselklappe geschlossen ist, befindet sich der Proportionalregler über die Stufe h3 am Anschlag, da die Motordrehzahl über der

Solldrehzahl liegt. In diesem Fall vird jedoch über die weitere Proportionalstufe kk der absolute Druck ρ wirksam, der infolge der hohen Motordrehzahl stark abgesunken ist. Damit wird ungeachtet des Überschreitens der Solldrehzahl eine gewisse Öffnung des Stellgliedes bewirkt, so daß der Motor eine Füllung erhält. Wird nun der Kraftschluß zwischen Motor und Abtrieb durch Lösen einer Kupplung unterbrochen, fällt gleichzeitig die Motordrehzahl steil ab und der absolute Druck steigt schnell an. Diese gegenläufige Entwicklung kompensiert sich in etwa über die Proportionalstufen k3, kk, während die verzögernde Mitkopplung über die Stufe U5 zunächst nicht wirksam wird. Insgesamt kann sich dadurch die Motordrehzahl auf dem Sollwert fangen, ohne daß - wie bei Reglern mit reiner Drehzahlregelung - aufgrund eines leergepumpten Saugrohres ein weiterer Drehzahlabfall bis möglicherweise unter die Laufgrenze eintritt.

Die Ausregelung von Drehzahleinbrüchen bei Lastaufschaltung kann durch eine Steuerung der Zeitkonstanten der Druckmitkopplung k5 zusätzlich verbessert werden. Eine geeignete Realisierungsform ist die Festlegung der Zeitkonstanten als im allgemeinen nichtlineare Funktion von der Motordrehzahl η , der Drehzahldifferenz n_o-n_M oder auch von zeitlichen Änderungen dieser beiden Größen. Durch diese Maßnahme wird ein sehr stabiles stationäres Regelkreisverhalten erreicht bei gleichzeitiger sehr schneller Ausregelung von Drehzahleinbrüchen.

Insgesamt ist damit de.r erfindungsgemäße Regler in der Lage, sowohl im Übergangsbetrieb wie auch im stationären Betrieb bei allen Betriebsfällen eine zuverlässige Einhaltung der Solldrehzahl zu gewährleisten.

- ■/ - -1 ö 5 3

-Λ;

In Fig. 5 ist als Blockschaltbild ein weiterer erfindungsgemäßer Regler dargestellt. Bei diesem Regler sind die Motordrehzahl n„ und die Solldrehzahl n_ sowie der Absolutdruck ρ M S

wiederum auf die Proportionalstufen k3, ^O, hk geführt, die auf entsprechend gepolte Eingänge eines - diesmal gemeinsamen - sechsten Summenpunktes 50 geführt sind. Der absolute Druck ρ ist wiederum auf die Verzögerungsstufe ^5 geschaltet, an die sich eine invertierende Kennlinie 51 anschließt. Die Mitkopplung des verzögerten Drucksignales wird dabei durch eine Kennlinie negativer Steigung erzeugt. Das mitgekoppelte, verzögerte Drucksignal und das gegengekoppelte Drucksignal werden in einer Stufe 52 mit einander verknüpft, wobei die Verknüpfung sowohl additiv wie auch mulitplikativ ausgestaltet sein kann. Die Funktion des Reglers entspricht insoweit derjenigen des in Fig. h dargestellten und hierzu erläuterten Reglers, dabei kennzeichnet die gestrichelte Verbindung vom Ausgang der Proportionalstufe ^3 zur Verzögerungsstufe U5 die Einstellung von deren Zeitkonstante.

Zur Ausregelung von kleinen Restfehlern und insbesondere von Bauteilestreuungen, die besonders beim mit gekoppelten Zweig U5j 51 störend sein können, sind noch ein Integralzweig und ein Proportionalzweig für die Regelung der Drehzahldifferenz vorgesehen. Hierzu wird in einem siebten Summenpunkt 53 die Drehzahldifferenz gebildet und dieses Differenzsignal wird einmal einem Integrator 5'+ mit nachgeschaltetem Begrenzer 55 sowie zum anderen einem Differenzier ei 5-6 zugeführt, wobei Begrenzer 55 und Differenzierer 56 an nicht invertierende Eingänge des sechsten Summenpunktes 50 angeschlossen sind. Integrator 5^ und Differenzierer 56 dienen in an sich bekannter Weise zur Ausregelung von Restfehlern bzw. zur Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit des Reglers.

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Es versteht sich -!schließlich , daß die Rückf ührkoef f i 7, i. ent en des Zustandsreglers in den Proportionalstufen Uo, 'i3, hk auch als andere an sich bekannte Elemente, beispielsweise PID-Glieder ausgeführt sein können, die Erfindung ist insoweit nicht auf xlie Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

9.6.1982 Wt/Ja

Robert Bosch GmbH, TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

γΐJ Anordnung zur Drehzahlregelung, vorzugsweise zur Leerlaufdrehzahlregelung, einer Brennkraftmaschine, mit einem Sollwertgeber für eine Solldrehzahl (n_c), einem Motordrehzahl-Sensor (19)₅ einem auf die Soll- und Istdrehzahl (n ), (n ) ansprechenden Regler (17) sowie einem vom Regler (17) angesteuerten Stellglied für die Einstellung der Motordrehzahl (n ), dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Sensor (18) zur kontinuierlichen Erfassung der Motorlast vorgesehen und der Regler (17) als Zustandsregler ausgebildet ist, der in Abhängigkeit von den Drehzahlsignalen (η , η ) und dem Lastsignal (ρ) ein Stellsignal (BP) für das Stellglied bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Bypass-Ventil (I5) ist, mit dem eine Drosselklappe (12) in einem Saugrohr (1O) der Brennkraftmaschine (11) überbrückbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine motorische Verstellung (22 - 25) der Drosselklappe (12) in einem Saugrohr (1O) der Brennkraftmaschine (11) ist.

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h. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustandsregler einen ersten, gegenkoppelnden Proportionalzweig (ho, U3) für die Differenz von Soll- und Istdrehzahl (η , η ), einen zweiten, gegenkoppelnden Proportionalzweig (hk) für das Lastsignal (p) sowie einen verzögernden, mitkoppelnden Zweig (h5) für das Lastsignal (p) umfaßt.

5. Anordnung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweige (¹IO, ^3, ¹I¹O PID-Anteile enthalten.

6. Anordnung nach Anspruch k oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gegenkoppelnde Proportionalzweig (¹IO, k3) ferner mit einem Integral- und einem Differentialanteil (5k, 56) versehen i st.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche k bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Proportionalzweig (hk) und der verzögernde Zweig (kh) des Lastsignales (ρ) multiplikativ oder additiv miteinander verknüpft sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche h bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung des verzögernd mitkoppelnden Zweiges (h5) , vorzugsweise in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (n_M), der Differenz von Motor- und Solldrehzahl (n , n_o), von zeitlichen Ableitungen dieser Größen oder von der Stellung (s) eines Schalters, einstellbar ist.