DE4315885C1

DE4315885C1 - Verfahren zur Drehmomenteinstellung

Info

Publication number: DE4315885C1
Application number: DE4315885A
Authority: DE
Inventors: Hans Braun; Ulf Weinecke; Kurt Maute; Wolfgang Dr Strauss
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: GB2280048A; GB9409311D0; GB2280048B; US5467750A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmomenteinstellung an einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 39 24 922 ist eine Zugkraftsteuerung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der für jedes Arbeitsspiel die Differenz zwischen einer vorgegebenen Sollansaugluftmenge und der tatsächlich gemessenen Ansaugluftmenge pro Motorumdrehung ermittelt und auf Basis dieses Signals der Drosselklappenöffnungswinkel korrigiert wird.

Außerdem ist aus der DE-OS 39 40 681 eine Drosselklappenpositionsregelungseinrichtung bekannt, bei der die Abweichung der mittels eines Luftströmungssensors ermittelten Ansaugluftmenge von einer im voraus gesetzten Befehlsluftmenge bestimmt wird. Zusätzlich ist bei dieser Massenstrom-Regelung eine Rückkopplungssteuerung vorgesehen, die die Drosselklappenstellung derart verändert, daß die Abweichung auf Null reduziert wird, wobei ein Korrekturelement erster Ordnung die Ermittlungsverzögerung des Luftströmungssensors kompensiert.

Von Nachteil bei diesen Anordnungen ist, daß Abweichungen, die in dynamischen Betriebszuständen durch zeitabhängige Druckänderungen im Saugrohr und im Brennraum auftreten, nicht berücksichtigt werden. Zwar ist bei der zweiten Anordnung eine Korrektur für die vom Luftströmungssensor ermittelte Ansaugluftmenge vorgesehen. Dieses Korrekturelement erster Ordnung kann allerdings nur den Ermittlungsverzug des Luftströmungssensors kompensieren.

Schließlich ist aus der DE-OS 41 00 355 ein Verfahren zur Lastbestimmung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mittels eines Lastfilters die Abweichungen, die in dynamischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zwischen der von einem Luftströmungssensor pro Arbeitsspiel gemessenen Ansaugluftmenge und der tatsächlich in den Brennraum strömenden Luftmenge auftreten, kompensiert werden und diese korrigierte Ansaugluftmenge einer Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß der gemessene Luftmassenstrom jeweils über mindestens ein Arbeitsspiel aufsummiert wird. Dadurch kann vor allem im unteren Drehzahlbereich keine ausreichend hohe Regelfrequenz erreicht werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Drehmomenteinstellung an einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem der Drosselklappenöffnungswinkel derart korrigiert wird, daß in dynamischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine die Abweichung des tatsächlich bereitgestellten Drehmoments von dem vorgegebenen Solldrehmoment auch bei niederen Drehzahlen ausreichend schnell verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Zur Optimierung der Drehmomenteinstellung an Brennkraftmaschinen wäre es vorteilhaft, wenn ein Drehmomentregelkreis zur Verfügung stehen würde. Steht jedoch kein Drehmomentsensor zur Verfügung, so muß die Drehmomentregelung über eine mit dem Drehmoment korrelierte Größe realisiert werden. Als eine solche Größe kann entweder die Last, das heißt die Luftmasse pro Arbeitsspiel im Zylinder, oder der Luftmassenstrom verwendet werden, wobei bei der Massenstrom-Regelung ein mittlerer Massenstrom während eines Arbeitsspieles als Sollwert verarbeitet wird.

Bei beiden Regelkreisen tritt jedoch das Problem auf, daß die von einem Luftströmungssensor ermittelte Meßgröße in dynamischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine nicht mit der tatsächlich in den Brennraum strömenden Istgröße übereinstimmt. Bei der Last-Regelung wird daher für jedes Arbeitsspiel mittels eines Lastfilters, in dem mit Hilfe eines Saugrohrmodells aus dem am Luftströmungssensor gemessenen Luftmassenstrom die tatsächlich im letzten Arbeitsspiel in den Brennraum geströmte Luftmasse berechnet wird, ein Last-Istwert ermittelt. Der korrigierte Last- Istwert wird dann anstelle des gemessenen Lastwertes der Vergleichsstelle des Regelkreises zugeführt.

Bei der Massenstrom-Regelung wird dagegen mit Hilfe eines Lastfilters in umgekehrter Richtung aus einem vorgegebenen Last-Sollwert, daß heißt aus der Luftmasse, die tatsächlich pro Arbeitsspiel in den Brennraum strömen soll, ein Sollwert für den am Luftströmungssensor vorbeiströmenden Luftmassenstrom ermittelt und dieser korrigierte Massenstrom-Sollwert dann der Vergleichsstelle des Regelkreises zugeführt. Um bei kleinen Drehzahlen ebenfalls gute Reaktionszeiten zu gewährleisten, kann die Sollwertvorgabe auch mehrmals pro Arbeitsspiel erfolgen, wobei dann ein taktbares Lastfilter Verwendung findet.

Um in allen Betriebspunkten eine optimale Drehmomenteinstellung zu gewährleisten ist es auch möglich, sowohl eine Last- als auch eine Massenstrom-Regelung vorzusehen, wobei die Umschaltung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Drosselklappenstellung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, wobei

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Last-Regelkreises und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Massenstrom- Regelkreises zeigt.

In Fig. 1 ist die Struktur eines Lastregelkreises dargestellt. Aus einem vorgegebenen Solldrehmoment M_soll wird in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n durch eine Kennfeldzuordnung 1 ein Last-Sollwert Last_soll ermittelt. Der Last- Sollwert Last_soll wird anschließend der Vergleichsstelle 2 eines Last-Regelkreises zugeführt. In der Vergleichsstelle 2 wird nach jedem Arbeitsspiel TN der Brennkraftmaschine aus dem Last-Sollwert Last_soll und einem korrigierten Last-Istwert Last_kor eine Massendifferenz Δm ermittelt, die dann der Regeleinrichtung 3 zugeführt wird. Die Regeleinrichtung 3 liefert als Ausgangsgröße eine linearisierte Winkelposition α_End, die mit Hilfe einer Stepperansteuerung in auf die aktuelle Drosselklappenposition α_DK bezogene Inkremente Step_DK umgerechnet und einem Drosselklappensteller 4 zugeführt werden. Im Drosselklappensteller 4 wird außerdem jeweils der aktuelle Drosselklappenwinkel α_DK ermittelt und der Regeleinrichtung 3 zur Verfügung gestellt.

Im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine wird der Luftmassenstrom _Sensor durch einen stromauf der Drosselklappe angeordneten Luftströmungssensor 6 gemessen. Da der Luftströmungssensor 6 aber räumlich von der Drosselklappe getrennt ist, muß der am Luftströmungssensor 6 gemessene Luftmassenstrom _Sensor nicht immer mit dem an der Drosselklappe vorbeiströmenden Luftmassenstrom _DK übereinstimmen. Dieser Einfluß wird durch eine Strömungsübertragungsfunktion 5 beschrieben. Der Luftströmungssensor 6, der vorzugsweise als Hitzdraht-Luftmassenmesser (im folgenden HLM-Sensor genannt) ausgeführt ist, liefert eine vom Luftmassenstrom _Sensor abhängige Spannung U(_Sensor). Aus dieser Spannung U(_Sensor) wird in einer Auswerteeinrichtung 7 ein Luftmassenstrom _HLM ermittelt, der anschließend mit Hilfe einer Datenübertragungseinrichtung 8 einem Lastfilter 9 zugeführt wird. Im Lastfilter 9 wird aus diesem bereitgestellten Luftmassenstrom _CAN anhand der aktuellen Dauer dt eines Arbeitsspieles TN ein korrigierter Last-Istwert Last_kor berechnet, der wie oben beschrieben der Vergleichsstelle 2 des Last-Regelkreises zugeführt wird.

Dieser Umweg der Last-Regelung zur Einstellung eines Solldrehmoments M_soll muß eingeschlagen werden, wenn eine Drehmomentregelung mangels eines Drehmomentsensors nicht realisierbar ist. Neben der oben beschriebenen Kennfeldzuordnung 1 kann aber auch jedes andere bekannte Verfahren, mit dem aus einem Solldrehmoment M_soll ein zugehöriger Last-Sollwert Last_soll ermittelt wird, verwendet werden. Der Regelalgorithmus wird nach jedem Arbeitsspiel TN, also immer dann, wenn ein neuer korrigierter Last-Istwert Last_kor zur Verfügung steht, gerechnet. In der Regeleinrichtung 3 wird aus der Massendifferenz Δ anhand der aktuellen Motordrehzahl n ein Differenzmassenstrom Δ ermittelt. Aus diesem Differenzmassenstrom Δ und der aktuellen Drosselklappenposition α_DK wird dann durch Linearisierung eine Stellgröße für den Drosselklappenwinkel α_End anhand der Gleichung

berechnet, wobei α_End die neue Stellgröße, α_DK die aktuelle Drosselklappenposition, Δ_Reg der nach einem PID-Algorithmus gewichtete Differenzmassenstrom, A₀ die Öffnungsfläche der Drosselklappe bei 90° Drosselklappenwinkel, c die Strömungsgeschwindigkeit und ρ_Luft die Dichte von Luft ist. Die Stellgröße α_End muß schließlich für den Schrittmotor noch in Inkremente Step_DK bezogen auf die aktuelle Drosselklappenposition α_DK umgerechnet werden.

Das Lastfilter, das arbeitsspiel-synchron den Zusammenhang zwischen dem am HLM-Sensor 6 gemessenen Luftmassenstrom _HLM und der tatsächlich in den Brennraum einströmenden Luftmasse Last_kor beschreibt, wird durch den folgenden Algorithmus realisiert:

wobei SUM_n beziehungsweise Sum_n-1 die im letzten beziehungsweise vorletzten Arbeitsspiel TN aufsummierten Luftmassen am HLM-Sensor 6, Last_kor(n-1) der letzte Ausgangswert des Lastfilters 9 und a und b drehzahlabhängige und an die Geometrie von Ansaugrohr und Brennraum anzupassende Parameter sind. Der Differentialterm in der Gleichung beschreibt den Zuordnungsverzug.

Neben der oben beschriebenen Last-Regelung kann zur Einstellung eines vorgegebenen Solldrehmoments M_soll auch eine Massenstrom- Regelung verwendet werden. Die Struktur einer erfindungsgemäßen Massenstrom-Regelung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei gleiche Teile gegenüber Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zur Fig. 1 wird bei der Massenstrom-Regelung nicht der am HLM-Sensor 6 gemessene Luftmassenstrom _Sensor korrigiert, sondern ausgehend von einem Last-Sollwert Last_soll wird ein korrigierter, mittlerer Massenstrom-Sollwert _kor derart vorgegeben, daß bei einer Regelung des Massenstrom-Istwertes _HLM auf diesen korrigierten, mittleren Massenstrom-Sollwert _kor die tatsächlich in den Brennraum einströmende Luftmenge m_L auch in dynamischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit dem vorgegebenen Last-Sollwert Last_soll übereinstimmt.

Während beim Lastfilter 9 aus der Luftmasse _HLM am HLM-Sensor 6 unter Berücksichtigung der Strömungsübertragungsfunktion 5 die Luftmasse Last_kor im Brennraum ermittelt wird, wird bei der Massenstrom- Regelung eine Abbildung in entgegengesetzter Richtung benötigt. Dieses inverse Lastfilter 10 wird durch die inverse Strömungsübertragungsfunktion beschrieben, wobei für die Beziehung zwischen dem inversen und dem nicht-inversen Lastfilter in der Laplace-Ebene formal gilt:

H(s) * H^-1(s) = 1

Somit erhält man das inverse Lastfilter 10 durch Vertauschen von abhängigen und unabhängigen Variablen aus dem nicht-inversen Lastfilter 9. Die Vorgabe für die pro Arbeitsspiel TN einzustellende Luftmasse m_kor ergibt sich somit zu:

Die Parametrisierung für a und b wird dabei so gewählt, daß das inverse Lastfilter 10 Hochpaßeigenschaften besitzt. Die Faktoren a und b werden hierzu ebenfalls drehzahlabhängig vorgegeben.

Ein weiterer Unterschied gegenüber der Last-Regelung besteht darin, daß an der Vergleichsstelle 2 nicht Massen, sondern Massenströme verglichen werden. Hierzu wird der Vergleichsstelle 2 neben dem dynamisch korrigierten, mittleren Massenstrom-Sollwert _kor auch der vom HLM-Sensor 6 gemessene und mittels der Datenübertragungseinrichtung 8 direkt bereitgestellte Massenstrom- Istwert _HLM zur Verfügung gestellt. Als Ausgangswert ermittelt die Vergleichsstelle 2 daher einen Differenzmassenstrom Δ, der nun direkt der Regeleinrichtung 3′ zur Verfügung gestellt werden kann. Um für die Motorsteuerung zusätzlich einen Last-Istwert Last_kor bereitstellen zu können, kann der vom HLM-Sensor 6 ermittelte Massenstrom-Istwert _HLM auch weiterhin dem Lastfilter 9 zugeführt werden.

Um auch bei niedrigen Motordrehzahlen n schnell auf Drehmomentanforderungen reagieren zu können ist es auch denkbar, ein taktbares inverses Lastfilter 10, mit dem Änderungen der Eingangsgröße Last_soll auch während eines Arbeitsspieles TN berücksichtigt werden können, einzusetzen.

Mit dem Ansatz

wird als Ausgangswert des Filters zu Beginn eines Arbeitsspieles TN ein Sollwert für den mittleren Massenstrom berechnet:

wobei Last_soll(TN) der Last-Sollwert zu Beginn des Arbeitsspieles TN, Last_soll(T_N-1+t_zw) der zuletzt ermittelte Last-Istwert und dt die erwartete Dauer eines Arbeitsspieles TN ist. a und b sind, wie bereits weiter oben beschrieben, an die Geometrie von Ansaugrohr und Brennraum anzupassende Parameter.

Wird nun während des Arbeitsspieles TN ein neuer Last-Sollwert Last_soll vorgegeben, so wird zu diesem Zwischenzeitpunkt t_zw das Filter komplett neu berechnet, wobei die bisher in diesem Arbeitsspiel TN am HLM-Sensor 6 vorbeigeströmte Luftmasse (_HLM*t_zw) subtrahiert und die einzustellende Restmasse auf die Restzeit (dt-t_zw) bezogen wird. Damit folgt für den Sollwert für den mittleren Massenstrom zum Zwischenzeitpunkt t_zw:

Mit dieser Vorgabe für den korrigierten, mittleren Massenstrom _kor und dem Meßwert des HLM-Sensors 6 wird der Regelalgorithmus in festen Zeitinkrementen, beispielsweise von 1 ms, berechnet.

Die Massenstrom-Regelung stellt das dynamisch günstigere Regelungsverfahren dar. Es wird vorzugsweise in Betriebspunkten mit geringen Strömungspulsationen eingesetzt. Dagegen ist die Last- Regelung gegenüber Strömungspulsationen unempfindlicher, da bei diesem Verfahren die Luftmasse über ein Arbeitsspiel TN aufsummiert wird. Wie bereits weiter oben beschrieben kann die Last- Regelung aber bei niedrigen Motordrehzahlen n nicht schnell genug auf Änderungen der Drehmomentanforderung M_soll reagieren. Daher ist es besonders vorteilhaft, beide Regelverfahren zu kombinieren, indem in Abhängigkeit von Betriebsparametern, vorzugsweise von Motordrehzahl n und Drosselklappenwinkel α_DK, zwischen den beiden Verfahren hin- und hergeschaltet wird. Dabei wird die Umschaltung vorzugsweise am Ende eines Arbeitsspieles TN durchgeführt.

Beim Umschalten zwischen den beiden Regelverfahren ist sowohl ein geschalteter als auch ein kontinuierlicher Übergang möglich. Um beim geschalteten Übergang ein mehrfaches Hin- und Herschalten bereits bei geringen Signalschwankungen zu verhindern, kann beim Übergang von der Last-Regelung zur Massenstrom-Regelung eine einseitige Hysterese in Form einer Wartezeit in ganzzahligen Vielfachen von Arbeitsspielen TN vorgesehen werden. Dagegen soll aus der Massenstrom-Regelung ein Rücksprung zur Last- Regelung bereits beim nächsten Arbeitsspiel TN möglich sein.

Beim kontinuierlichen Übergang sind beide Regelkreise gleichzeitig aktiviert, wobei die jeweiligen Stellgrößen mit Faktoren bewertet werden. Da die Stellgrößen in beiden Verfahren auf die Drosselklappenfläche linearisiert sind, ist eine additive Verknüpfung der beiden Signale möglich. Die Größe der Faktoren, die einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen können, wird in Abhängigkeit von den oben genannten Betriebsparametern ermittelt, wobei aus Gründen der Normierung die Summe der Faktoren gleich 1 gewählt wird.

Claims

1. Verfahren zur Drehmomenteinstellung an einer Brennkraftmaschine, wobei aus einem vorgegebenen Sollausgangsdrehmoment ein Last-Sollwert berechnet wird, wobei mittels eines Luftströmungssensors der Luftmassenstrom gemessen wird und wobei in einer Regeleinrichtung die Abweichung des gemessenen Istwertes von dem berechneten Sollwert durch Steuerung des Drosselklappenwinkels auf Null reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Last-Sollwert (Last_soll) mit Hilfe eines inversen getakteten Lastfilters (10), welches die in dynamischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine auftretenden Abweichungen des am Luftströmungssensor (6) gemessenen Luftmassenstroms (_HLM) von der in den Brennraum strömenden Ansaugluftmenge kompensiert, ein mittlerer Luftmassenstrom (_kor) berechnet wird und daß in fest vorgegebenen Zeitabständen einer Vergleichsstelle (2) der Regeleinrichtung (3) der mittlere Luftmassenstrom (_kor) als korrigierter Sollwert und der gemessene Luftmassenstrom (_HLM) als Istwert zur Verfügung gestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei niederen Drehzahlen (n) und kleinem Drosselklappenöffnungswinkel (α_DK) die Massenstrom-Regelung aktiviert ist und daß bei höheren Drehzahlen (n) oder bei großem Drosselklappenöffnungswinkel (α_DK) ein Übergang auf eine arbeitsspielsynchrone Lastregelung erfolgt, bei der statt eines Sollwertes (Last_soll) die gemessene Luftmenge (Last_Ist) korrigiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den beiden Regelkreisen kontinuierlich erfolgt, wobei im Übergangsbereich beide Regelkreise aktiviert sind und wobei die jeweils ermittelten Stellgrößen mit Faktoren (f_M, f_L) gewichtet werden, deren Summe f_M+f_L=1 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den beiden Regelkreisen am Ende eines Arbeitsspieles (TN) geschaltet erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei aktivierter Massenstrom-Regelung ein Umschalten zur Last-Regelung sofort nach Beendigung des aktuellen Arbeitsspiels (TN) möglich ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei aktivierter Last-Regelung ein Umschalten zur Massenstrom- Regelung erst dann möglich ist, wenn die Last-Regelung für eine vorgegebene Zahl von Arbeitsspielen (TN) aktiviert war.