DE4344960A1 - System zur Regelung der Aufladung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem System zur Regelung der Aufladung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges System ist aus der EP 0 084 037 B1 bekannt. Beim be­ kannten System wird der Ladedruck mit einem Regler auf einen Soll­ wert geregelt, der aus einem last- und drehzahlabhängigen Kennfeld ausgelesen wird und anschließend in Abhängigkeit von der atmosphäri­ schen Höhe, der Abgastemperatur, der Lufttemperatur oder der Be­ schleunigung korrigiert wird. Je nach Brennkraftmaschinentyp und An­ wendungsfall wird ein Regler mit Proportional-, Differential­ und/oder Integralverhalten eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufladung der Brenn­ kraftmaschine optimal zu regeln.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie eine optimale Regelung der Aufladung einer Brennkraftmaschine ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das erfindungsgemäße System mit sehr geringem Appli­ kationsaufwand bei verschiedenen Typen von Brennkraftmaschinen ein­ gesetzt werden kann, da eine automatische Optimierung des Reglers vorgesehen ist. Beim Aktivieren der Regelung werden die Reglerpara­ meter zunächst aus Startkennfeldern ausgelesen, damit die Regelung gleich mit möglichst guten Reglerparametern gestartet werden kann und anschließend beginnt die Optimierung. Ein weiterer Vorteil der automatischen Optimierung besteht darin, daß Toleranzen und im Lauf der Zeit auftretende Drifts automatisch ausgeglichen werden. Somit ist das erfindungsgemäße System sehr robust, universell einsetzbar und verfügt über eine hohe Regelqualität.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Darstellung des bei der Erfindung ein­ gesetzten Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 100 mit einem Ansaugtrakt 102 und einem Abgaskanal 104. Im Ansaugtrakt 102 sind - in Stromrichtung der angesaugten Luft gesehen - ein Luftmengen- oder Luftmassenmesser 105, ein Verdichter 106, eine Drosselklappe 108 mit einem Sensor 109 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 108, ein Druck­ sensor 110 zur Erfassung des Ladedrucks, ein Temperatursensor 112 zur Erfassung der Ladelufttemperatur und wenigstens eine Einspritz­ düse 113 angebracht. Der Verdichter 106 wird über ein Verbindungs­ mittel 114 von einer im Abgaskanal 104 angeordneten Turbine 116 an­ getrieben. Eine Bypass-Leitung 118 führt um die Turbine 116 herum. In der Bypass-Leitung 118 ist ein Bypass-Ventil 120 angeordnet. An der Brennkraftmaschine 100 sind ein Temperatursensor 122 zur Erfas­ sung der Temperatur des Kühlmittels und ein Drehzahlsensor 124 zur Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 angebracht.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird die Aufladung der Brennkraft­ maschine geregelt. Dazu kann beispielsweise der mit dem Ladedruck­ sensor 110 erfaßte Ladedruck-Istwert PIst auf einen von einem Kenn­ feld 126 ausgegebenen Ladedruck-Sollwert PSoll geregelt werden. Ab­ hängig von der Abweichung zwischen PIst und PSoll wird das Bypass- Ventil 120 angesteuert und dadurch die Drehzahl der Turbine 116 be­ einflußt. Diese Beeinflussung wirkt über das Verbindungsmittel 114 auf den Verdichter 106, der wiederum den Ladedruck stromab des Ver­ dichters 106 beeinflußt, das heißt den vom Drucksensor 110 erfaßten Ladedruck-Istwert PIst. Im folgenden wird beschrieben, womit und wie die Regelung des Ladedrucks durchgeführt wird.

Das Kennfeld 126 besitzt zwei Eingänge, wobei der erste Eingang mit dem Drehzahlsensor 124 verbunden ist und der zweite Eingang mit dem Sensor 109 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 108. In Abhängigkeit von den an den beiden Eingängen anliegenden Signalen gibt das Kennfeld 126 den Ladedruck-Sollwert PSoll an einen ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 128 aus. Der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 128 ist mit dem Drucksensor 110 zur Erfassung des Ladedruck-Istwertes PIst verbunden. Der Verknüpfungspunkt 128 ermittelt durch Differenzbildung aus dem Ladedruck-Sollwert PSoll und dem Ladedruck-Istwert PIst eine Regelabweichung e und stellt ein entsprechendes Signal am Ausgang bereit. Der Ausgang des Verknüp­ fungspunktes 128 ist mit dem Eingang eines Reglers 130 verbunden. Der Regler 130 ermittelt aus der Regelabweichung e eine Stellgröße u und gibt diese an den Eingang einer Begrenzungsstufe 132 aus. Die Begrenzungsstufe 132 begrenzt die Stellgröße u auf einen Minimalwert bzw. einen Maximalwert und gibt die begrenzte Regelabweichung u an eine Ansteuerstufe 134 weiter. Die Ansteuerstufe 134 erzeugt aus der Stellgröße u ein Signal zur Ansteuerung des Bypass-Ventils 120 und gibt dieses Signal an das Bypass-Ventil 120 weiter. Das Ansteuersi­ gnal kann beispielsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal sein.

Bislang wurde der Ladedruck-Regelkreis an sich beschrieben. Im fol­ genden werden Komponenten beschrieben, die dazu dienen, den Regler 130 zu optimieren. Die Optimierung des Reglers 130 erfolgt mittels eines Identifikationsblocks 136 und eines Syntheseblocks 138. Der Identifikationsblock 136 besitzt zwei Eingänge. Der erste Eingang ist mit dem Ausgang der Begrenzungsstufe 132 verbunden und der zwei­ te Eingang mit dem Drucksensor 110 zur Erfassung des Ladedruck-Ist­ werts PIst, das heißt am ersten Eingang liegt die begrenzte Stell­ größe u an und am zweiten Eingang der Ladedruck-Istwert PIst. Der Ausgang des Identifikationsblocks 136 ist mit dem Eingang des Syn­ theseblocks 138 verbunden. Der Ausgang des Syntheseblocks 138 ist wiederum mit einem Steuereingang des Reglers 130 verbunden. Der Identifikationsblock 136 ermittelt aus den Eingangsgrößen u und PIst mit Hilfe eines parametrischen Modells fuhr die Regelstrecke (Brenn­ kraftmaschine 100 inklusive Komponenten zur Beeinflussung der Aufla­ dung), beispielsweise eines Tiefpaß n-ter Ordnung mit Totzeit, und eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise eines rekursiven Least- Square-Fit, im On-Line-Betrieb Modellparameter und leitet diese Mo­ dellparameter an den Syntheseblock 138 weiter. Der Syntheseblock er­ mittelt aus den Modellparametern entsprechende Reglerparameter und leitet diese an den Regler 130 weiter. Einzelheiten zu den Vorgängen im Identifikationsblock 136 und im Syntheseblock 138 sind in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung. In einem ersten Schritt 200 werden die Stellgröße u und der Ladedruck-Istwert PIst, das heißt die Eingangsgröße und die Ausgangsgröße der Regelstrecke, in den Identifikationsblock 136 ein­ gelesen. An Schritt 200 schließt sich ein Schritt 202 an. Im Schritt 202 werden aus der Eingangsgröße und der Ausgangsgröße der Regel­ strecke die Modellparameter des im Identifikationsblock 136 benutz­ ten Modells für die Regelstrecke ermittelt, das heißt, es wird er­ mittelt, welche Modellparameter in das vorgegebene Modell eingesetzt werden müssen, damit das Modell aus dem Signal u das Signal PIst er­ zeugt. Als Modell eignet sich ein Tiefpaß n-ter Ordnung mit Totzeit, insbesondere ein Tiefpaß zweiter Ordnung mit Totzeit. Bei Verwendung eines Tiefpaß zweiter Ordnung mit Totzeit sind vier Modellparameter zu optimieren. Diese vier Modellparameter werden aus den Signalen PIst und u ermittelt. Die Bestimmung der Modellparameter kann bei­ spielsweise mit Hilfe eines rekursiven Least-Sguare-Fits durchge­ führt werden. Damit werden nach und nach alle Modellparameter ermit­ telt bzw. aktualisiert.

Im Schritt 204, der auf Schritt 202 folgt, werden die aktualisierten Modellparameter an den Syntheseblock 138 weitergegeben. An Schritt 204 schließt sich ein Schritt 206 an. Im Schritt 206 ermittelt der Syntheseblock 138 aus den Modelparametern die Reglerparameter. Dazu kann ein an sich bekanntes Verfahren eingesetzt werden, beispiels­ weise die Betragsanpassung, auf das im folgenden nicht näher einge­ gangen wird. An Schritt 206 schließt sich ein Schritt 208 an, in dem die in Schritt 206 ermittelten Reglerparameter an den Regler 130 weitergegeben werden. Auf Schritt 208 folgt ein Schritt 210.

In Schritt 210 wird abgefragt, ob ein Übergang von einem stationären in einen instationären Betriebszustand vorliegt und ob die Drehzahl­ änderung während dieses Übergangs kleiner ist als ein Schwellwert. Wenn die Abweichung zwischen PIst und PSoll großer ist als ein vor­ gebbarer Wert, wird angenommen, daß ein Übergang von einem sta­ tionären in einen instationären Betriebszustand vorliegt. Ist die Abfrage nicht erfüllt, so ist der Durchlauf des Flußdiagramms been­ det. Ist die Abfrage dagegen erfüllt, so schließt sich an Schritt 210 ein Schritt 212 an. Der Schritt 212 dient dazu, die Startkenn­ felder der Reglerparameter zu aktualisieren.

Jedesmal, wenn die Ladedruckregelung aktiviert wird, werden die An­ fangswerte für die Reglerparameter aus den Startkennfeldern ermit­ telt, da noch keine aktuellen Reglerparameter zur Verfügung stehen. Die Startkennfelder sind jeweils über der Drehzahl und einem Be­ triebsparameter, der den Ausgangszustand der Brennkraftmaschine 100 samt Aufladeinrichtung zum Zeitpunkt der Aktivierung der Ladedruck­ regelung charakterisiert, aufgespannt. In der deutschen Patentanmel­ dung 42 19 791 ist im einzelnen beschrieben, wie der dort als g be­ zeichnete Betriebsparameter fuhr den Ausgangszustand ermittelt wird, insbesondere in Fig. 2 und dem dazugehörigen Beschreibungstext. Die Startkennfelder können auch über der Last und der Drehzahl aufge­ spannt sein. Um die Startkennfelder aktualisieren zu können, müssen zunächst die Drehzahl und der Betriebsparameter für den Ausgangszu­ stand bzw. die Last ermittelt werden. Anschließend wird in den Startkennfeldern der zu dem so ermittelten Wertepaar gehörige Kenn­ feldwert durch den entsprechenden Reglerparameter aktualisiert. Mit Schritt 212 ist der Durchlauf des Flußdiagramms beendet.

In einer Variante wird statt des Ladedrucks die mit dem Luftmen­ gen- oder Luftmassenmesser 105 erfaßte Luftmenge oder Luftmasse ge­ regelt.

Claims (10)

1. System zur Regelung der Aufladung einer Brennkraftmaschine (100) mit einem Regler (130), der abhängig von der Abweichung zwischen ei­ ner gewünschten Aufladung (PSoll) und der tätsächlichen Aufladung (PIst) eine Stellgröße (u) erzeugt, mit der ein Stellglied (120) an­ gesteuert wird, das die Aufladung der Brennkraftmaschine (100) be­ einflußt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Modell vorgegeben wird für die Brennkraftmaschine (100) ein­ schließlich Aufladeeinrichtung,
• - die Modellparameter aus der Stellgröße (u) und der tatsächlichen Aufladung (PIst) ermittelt werden,
• - aus den Modellparametern Reglerparameter ermittelt werden und
• - die Reglerparameter das Regelverhalten des Reglers (130) festlegen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler­ parameter beim Aktivieren der Regelung aus Startkennfeldern ausgele­ sen werden.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Start­ kennfelder aufgespannt sind über der Drehzahl der Brennkraftmaschine (100) und einem Betriebsparameter, der den Ausgangszustand der Brennkraftmaschine (100) einschließlich Aufladeeinrichtung zum Zeitpunkt der Aktivierung der Regelung charakterisiert und/oder der Last der Brennkraftmaschine (100).

4. System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Übergang von einem stationären zu einem instationären Betriebszustand, bei dem sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine (100) um weniger als einen vorgebbaren Wert änderte, die Startkenn­ felder mit den aus den Modelparametern ermittelten Reglerparametern aktualisiert werden.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Modell ein Tiefpaß n-ter Ordnung mit Totzeit vor­ gegeben wird.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Modell ein Tiefpaß zweiter Ordnung mit Totzeit vorgegeben wird.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Modellparameter mittels eines rekursiven Least- Square-Fit-Verfahrens ermittelt werden.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reglerparameter mit dem Verfahren der Betragsan­ passung ermittelt werden.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Regler vorzugsweise ein PID-Regler eingesetzt wird.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Regelgröße bei der Regelung der Aufladung der La­ dedruck oder die Luftmenge oder Luftmasse verwendet wird.