EP0445339A1

EP0445339A1 - Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP0445339A1
Application number: EP90104535A
Authority: EP
Inventors: Franz Prof. Dr.-Ing Assbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-09-11

Abstract

Ein Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit, bei dem die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine (MvM) einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate (MvA) in der Beobachtereinheit (B) mit einer vorgegebenen Zeitkonstante (h1) rekonstruiert werden, wozu der Beobachtereinheit (B) als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit (ω) der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit MI ( MI = ∫o<v>pIdV , wobei pI der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugeführt werden und bei dem das von der Beobachtereinheit rekonstruierte, für sicheren Leerlauf erforderliche, Mindestdrehmoment (Mv) der dem zugeführten Gemisch (G) entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend aufaddiert wird. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit.
Herkömmliche Leerlaufdrehzahlregler gewinnen den der Brennkraftmaschinen-Vorsteuerung überlagerten Regeleingriff für den Leerlauf ausschließlich aus einem Sollwert-Istwert-Vergleich der Motordrehzahl, vergl. Fig. 1. Um Überschwinger und/oder Einbrüche der Leerlaufdrehzahl möglichst klein zu halten, wird dazu üblicherweise ein PID-(Proportional-Integral-Differential-)Regler, vergl. z.B. Leonhard "Einführung in die Regelungstechnik", Vieweg, eingesetzt, der bereits auf den Gradienten eines "drohenden" Drehzahleinbruchs reagieren kann.
Wegen

a) der großen Tot- und Verzögerungszeiten zwischen der Stellgröße "Gemischeinbringung" und der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (M_I), sowie
b) der zu beschleunigenden Trägheitsmassen (J) von Motor und Hilfsantrieben

Zur Verbesserung des Führungsgrößen-Verhaltens bezüglich a) wurde bereits in der Druckschrift Kiencke U., VDI-Ber. 612 (1986) "Entwurf eines Zustandsreglers für die Leerlaufregelung eines Ottomotors" ein Zustandsregelkreis mit Rückführung des Saugrohrdrucks angegeben. Dieser bekannte Zustandsregelkreis ist robust gegenüber Führungsgrößensprüngen (Gaspedal), kann jedoch Änderungen von Verlust- und Störgrößen (mech. Verluste während des Warmlaufs, zuschaltende Hilfsantriebe) nur begrenzt, nämlich über den herkömmlichen Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich und durch heuristische Zusatzeingriffe kompensieren.
Zur Verbesserung des Störgrößen-Verhaltens bezüglich b) wurden bisher nur Vorsteuerungen über Erfahrungsmodelle realisiert, in die Zustandsparameter, wie z.B. Motortemperatur, Luftmasse, Mischungsverhältnis und Drehzahl sowie Schaltersignale von Hilfsantrieben, eingehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leerlaufregelsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage ist, die Leerlaufdrehzahl mit einem Zustandsregler, der sowohl die betriebspunktabhängigen mechanischen Verluste als auch auf das mechanische System Motor einwirkende Störelemente mit einer Beobachtereinheit erfaßt und kompensierend der Gemisch-Zuführung aufschaltet, zu regeln.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leerlaufregelsystem vorgeschlagen, bei dem die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate in der Beobachtereinheit mit einer vorgegebenen Zeitkonstante rekonstruiert werden, wozu der Beobachtereinheit als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit zugeführt werden und das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment der dem zugeführten Gemisch entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend aufaddiert wird, um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten zu erzielen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Laufgrenze (dies ist die Mindestdrehzahl, von der ab ein "Abwürgen" im Leerlauf nicht mehr auftreten kann) weiter abgesenkt und die Laufruhe verbessert werden kann. Da Verbrauch und Emission etwa proportional mit der Drehzahl sinken, können hiermit vor allem im Stadtverkehr, vergl. z.B. Bosch Techn. Unterrichtung "Motronic" Sept. 1985, S. 26, und in der Warmlaufphase, Verbesserungen erreicht werden.
Mit Hilfe des somit von der Beobachtereinheit in Echtzeit ermittelten für Leerlaufbetrieb erforderlichen Drehmoments kann die benötigte Gemischmenge gut vorausbestimmt werden, und das Agieren des Regelkreises wird nicht mehr nur vom Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich allein eingeleitet.
Damit adaptiert sich die Regelung z.B. an die während des Warmlaufs sinkende Motorreibung oder an den variierenden Energiebedarf der Hilfsantriebe. Die Zustandsrückführung aus dem "Verlustbeobachter", nämlich der Beobachtereinheit, kann - bei Berücksichtigung einer Einschwingzeit der Beobachtereinheit - auch willkürliche Störgrößenaufschaltungen (wie Einschalten der Klimaanlage, von Servomotoren und dgl.) kompensieren, ohne den Drehzahlregler zu überfordern.
Die Erfindung eliminiert alle mit einer (zuvor erläuterten) "Vorsteuerung des erforderlichen Leerlaufdrehmoments" verbundenen Nachteile, indem die Beobachtereinheit diese Größe aus dem Vergleich der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (M_I) mit der Dynamik der Motordrehzahl (dn/dt) rekonstruiert und der Gemischeinbringung als eine Führungsgrößenkomponente vorgibt.
Bei Anwendung der bekannten Methode der Polvorgabe läßt sich durch entsprechende Beaufschlagung der Steuergröße "Gemischeinbringung" mit aus den Zustandsgrößen "Saugrohrdruck" und "Leerlaufdrehmoment" gebildeten Rückführungen das dynamische Verhalten des Gesamtsystems vorbestimmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben.
Es zeigt:

Fig. 1: den Funktionsplan eines Zustandsregelkreises für ein gutes Führungsverhalten nach dem Stand der Technik gemäß Kiencke U., VDI-Ber. 612(1986) ("Entwurf eines Zustandsreglers für die Leerlaufregelung eines Ottomotors");
Fig. 2: den Funktionsplan eines sog. Beobachtermodells zur Rekonstruktion der "mechanischen Verluste im Leerlaufbetrieb" nach dem Stand der Technik, dem eine Beobachtereinheit B gemäß der Erfindung zugefügt ist;
Fig. 3: das Prinzipschaltbild der Beobachtereinheit B in einer Analogschaltungsanordnung;
Fig. 4: den Funktionsplan einer Beobachtereinheit B gemäß der Erfindung für die "Beobachtung der mechanischen Verluste" in einer Digitalschaltungsanordnung;
Fig. 5: den Funktionsplan einer Verlust- und Störgrößenrückführung in einem Leerlaufregelsystem gemäß der Erfindung.

Die Differentialgleichung des bisher bekannten (Kiencke, U.) Leerlauf-Zustandsregelkreises lautet:

mit

ṁ_G,zu: : dem Einlaßtrakt zugeführte Gemischmasse [kg/s]
ṁ_G,ab: : vom Einlaßtrakt abgesaugte Gemischmasse [kg/s]
K_IS: : Saugrohr-Integrationskonstante [N/m²s]
R: : spezielle Gaskonstante
K: : Adiabatenexponant [ca. 1,40]
T_S: : Temperatur im Ansaugrohr
V_S: : Volumen des Ansaugrohrs
Indizes" ̇": : Ableitung nach der Zeit
M_e ^*: : in einem Kennfeld abgelegtes effektives Motormoment (aus stationären Prüfstandsversuchen) [Nm]
M_I: : alternativ zu M_e ^* . (1-e^-t/ts) e^{-t/tt . 2π} [Nm] falls Brennraumdruck-Messung vorhanden [Nm]
J: : Trägheitsmoment des Motors inklusive aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm²]
n: : Motordrehzahl [S^-1]

M_{v} {= M}_{vn} {+ M}_{vz}

M_vn: = permanente mechan. Verluste im Leerlauf
M_vz: = zuschaltbare mechan. Verluste im Leerlauf

f_{M} {= (1 - e}^{-t/ts} {) . e}^{-j t/tt . 2π}

f_M: = vereinfachte math. Funktion für Zeitverhalten der thermodyn. Energieumsetzung im Motor.

Um nun den Leerlaufregler gemäß Fig. 1 auch adaptiv auf die betriebspunktabhängigen mechanischen Verluste (insbesondere Warmlaufverhalten) sowie robust gegenüber Störmomenten durch zuschaltende Hilfsantriebe zu machen, wird ein Beobachtermodell zur Rekonstruktion dieser Verlust- und Störgrößen eingeführt.

Zustandsgleichungen des Beobachters:

$\dot{v} {= (-h₁ . v) + (h₁ . M}_{I}) + (h₁² . J . dφ/dt)$

$v = ∫(\dot{v} . dt)$

${\hat{M}}_{v} = v - (h₁ . J . dφ/dt)$

mit

v: : beobachterinterne Signalgröße
v: : deren Zeitableitung
h₁: : die entsprechend der gewünschten Güteklasse festgelegte Zeitkonstante für das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers, [S⁻¹]
dφ/dt: : motordrehzahlabh. Impulsfrequenz von einer Kurbelwellenindizierung in s^-1 als Winkelgeschwindigkeit
M_I: : alternativ zu M_e ^*, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden
J: : Trägheitsmoment des Motors inklusive aller im Leerlauf aktivierten Aggregate
M_v: : die "vom Beobachter rekonstruierten" mechanischen Verluste (inkl. Hilfsantriebe)
Indizes" ̂": : für über Beobachterschaltung rekonstruierte Abbilder einer physikalischen Größe .

Fig. 2 Zeigt, wie zuvor angegeben, den Funktionsplan eines sog. Beobachtermodells Zur Rekonstruktion der "mechanischen Verluste im Leerlaufbetrieb" nach dem Stand der Technik, dem eine Beobachtereinheit B gemäß der Erfindung zugeführt ist.
Da sich das "aktive Trägheitsmoment" J geringfügig ändert, sobald Hilfsantriebe Zu- oder abschalten, wird es deshalb mit Hilfe von Schaltermeldungen oder den Ansteuerbefehlen der zugeschalteten Aggregate
oder aus einem im Beobachter implementierten Erfahrungsmodell adaptiert.
Das Erfahrungsmodell nimmt den Zeitverlauf eines im ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "Störmoments" auf und vergleicht diesen mit den ihm bekannten der in Frage kommenden zuschaltbaren Aggregate.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine M_vM einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate M_vA in der Beobachtereinheit B mit einer vorgegebenen Zeitkonstante h₁ rekonstruiert werden, wozu der Beobachtereinheit B als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit ω der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit M_I ( $M_{I} {=∫₀}^{v} p_{I} dV$
, wobei p_I der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugeführt werden und daß das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment M_v der dem zugeführten Gemisch G entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend aufaddiert wird (Fig. 3), um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten zu erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Beobachtereinheit B analog (vergl. Fig. 3) und rekonstruiert aus den Eingangsgrößen ω, M_I eine Ausgangsgröße M_v nach den Gleichungen

$\dot{v} {= (-h₁ .v) + (h₁. M}_{I}) + (h₁². J . dφ/dt)$

$V = ∫ (\dot{v} . dt)$

${\hat{M}}_{v} = v - (h₁. J . d φ /dt)$

mit

v:: beobachterinterne Signalgröße
v:: deren Zeitableitung
h₁:: die entsprechend der gewünschten Güteklasse festgelegte Zeitkonstante für das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers [s^-1]
dφ/dt :: Impulse von einer Kurbelwellenindizierung
M_I:: alternativ zu M_e ^*, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden,
J :: Trägheitsmasse der Brennkraftmaschine einschließlich aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm²],
M̂_v:: die von der Beobachtereinheit B rekonstruierten mechanischen Verluste (einschließlich Hilfsaggregate) [Nm].

Gemäß einer anderen Ausführungsform arbeitet die Beobachtereinheit B digital (vergl. Fig. 4) und bildet aus den Eingangsgrößen ω , M_I eine Ausgangsgröße Mv_(n)T nach Algorithmus gemäß den Gleichungen

allgemein:

U_(n)T: : Ausdruck für den Steuervektor des Systems zum Tastzeitpunkt n·T
V_(n)T: : allgem. Ausdruck für den Zustandsvektor des Systems zum Tastzeitpunkt

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Trägheitsmasse J mittels Schaltermeldungen oder aus den Ansteuersignalen der zugeschalteten Hilfsaggregate adaptiert und in der Analogschaltung (Fig. 3) entsprechende Kondensatoren zu C parallel schaltet.
Bei einer nicht verfügbaren Brennraumdruck-Indizierung wird die freigesetzte Gasarbeit über Kennfeldwerte k4 und k5 (Fig. 1) abgerufen.
Eine in der Beobachtereinheit (B) unvermeidbare Einschwingzeit (= Abklingzeit des dynamischen Rekonstruktionsfehlers) wird durch einen entsprechend dimensionierten Differentialanteil (Vorhalt) in einem Störgrößenregler (Fig. 3) kompensiert.
Die Eingangsgrößen und die der beobachterinternen Signalgröße v entsprechende Größe werden mit einem Schalter S1 abgetastet und zwischengespeichert. Ein Halte- und Verzögerungsglied (z^-1) führt die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgröße v durch Verzögerung um ein Abtastintervall T aus. Die digitale Beobachtereinheit B speichert soviele Abtastzeitpunkte (n)T, (n+1)T , ... zwischen, wie es der Systemordnung der Beobachtereinheit B entspricht.
Eine Adaption der "aktivierten Trägheitsmasse", welche sich geringfügig ändert, sobald sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, wird durch ein in der Beobachtereinheit B implementiertes Erfahrungsmodell ausgeführt, das den Zeitverlauf eines in einem ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "Störmoments" aufnimmt und diesen mit den ihm bekannten Zeitverläufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.
Da in dieser Arbeit nun aufgezeigt wurde, wie die mechanischen Verluste des Motors im Leerlauf (inklusive der Energie für die zugeschalteten Hilfsantriebe) mit einem Beobachter rekontruiert werden können, darf das Motormodell (1t. Fig. 1) um diese "Energiesenke" erweitert werden. Das Ergebnis ist eine Leerlaufregelung, welche nicht nur robust gegenüber Gasstößen des Fahrers, sondern auch - adaptiv auf das Warmlaufverhalten, auf mechanische Veränderungen infolge Alterung, gegenüber Exemplarstreuungen und - robust gegenüber Störmomenten, eingebracht durch zuschaltende Hilfsantriebe ist.
Die Differentialgleichung des "störmomentrobusten" Leerlaufreglers lautet:

$M_{v} {= M}_{vn} {. n + M}_{vo}$

$f_{m} {= (1 - e}^{-t/ts} {) . e}^{-jtt}$
Bei Versuchsmeßreihen ergaben sich für eine Abtastperiode T = 10 ms und einer gewählten Rekonstruktionszeit von T_B = 100 ms folgende mittlere Werte für die einzelnen Größen:

${- h₁T}_{B} = ln 10% = -2.30$

h₁ = 23 s^-1

${A = e}^{-h₁T} {= e}^{-23·0.01} = 0.80$

J = 3.02 kgm² (Forschungsmotor AVL-Einzylinder mit V_z=400cm³

Claims

Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit,
dadurch gekennzeichnet ,
- daß die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine (M_vM) einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate (M_vA) in der Beobachtereinheit (B) mit einer vorgegebenen Zeitkonstante (h₁) rekonstruiert werden, wozu der Beobachtereinheit (B) als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit ( $ω = dφ/dt$
) der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit M_I ( $M_{I} =^{v} ∫_{o} p_{I} dV$
, wobei p_I der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugeführt werden und

- daß das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment (M_v) der dem zugeführten Gemisch (G) entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend aufaddiert wird (Fig. 3), um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten zu erzielen.
Leerlaufregelsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Beobachtereinheit (B) analog arbeitet und aus den Eingangsgrößen ( , M_I) eine Ausgangsgröße (M_V) nach den Gleichungen

$\dot{v} {= (-h₁. v) + (h₁ M}_{I}) + (h₁² . J d φ/dt)$

$V = ∫ (\dot{v} dt)$

${\hat{M}}_{v} = v - (h₁. J .dφ/dt)$

mit
v: beobachterinterne Signalgröße

v: deren Zeitableitung

h₁: die entsprechend der gewünschten Güteklasse festgelegte Zeitkonstante für das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers, [s^-1]

φ : Impulse von einer Kurbelwellenindizierung

M_I: alternativ zu M_e ^*, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden,

J : Trägheitsmasse der Brennkraftmaschine einschließlich aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm²]

M̂_v: die von der Beobachtereinheit (B) rekonstruierten mechanischen Verluste (einschließlich Hilfsaggregate) [Nm]
rekonstruiert.
Leerlaufregelsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Beobachtereinheit (B) digital arbeitet und aus den Eingangsgrößen ( , M_I) eine Ausgangsgröße (M_(n)T) nach den Gleichungen
rekonstruiert.
Leerlaufregelsystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet ,

- daß die Trägheitsmasse (J) mittels Schaltermeldungen oder aus den Ansteuersignalen der zugeschalteten Hilfsaggregate adaptiert und in der Analogschaltung (2b) entsprechende Kondensatoren zu (C) parallel schaltet.
Leerlaufregelsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei einer nicht verfügbaren Brennraumdruck-Indizierung die freigesetzte Gasarbeit über Kennfeldwerte (k4) und (k5) (Fig. 1) abgerufen wird.
Leerlaufregelsystem nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine in der Beobachtereinheit (B) unvermeidbare Einschwingzeit (= Abklingzeit des dynamischen Rekonstruktionsfehlers) durch einen entsprechend dimensionierten Differentialanteil (Vorhalt) in einem Störgrößenregler (Fig. 3) kompensiert wird.
Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit , nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
- daß die Eingangsgrößen und die der beobachterinternen Signalgröße (v) entsprechende Größe mit einem Schalter (S1) abgetastet und zwischengespeichert werden,

- daß ein Halte- und Verzögerungsglied (z^-1) die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgröße (v) durch Verzögerung um ein Abtastintervall (T) ausführt und

- daß die digitale Beobachtereinheit (B) soviele Abtastzeitpunkte ((n)T, (n+1)T , ...) zwischenspeichert, wie es der Systemordnung der Beobachtereinheit (B) entspricht.
Leerlaufregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine Adaption der "aktivierten Trägheitsmasse", welche sich geringfügig ändert, sobald sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, durch ein in der Beobachtereinheit (B) implementiertes Erfahrungsmodell ausgeführt wird, das den Zeitverlauf eines in einem ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "Störmoments" aufnimmt und diesen mit den ihm bekannten Zeitverläufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.