WO2000019078A1 - Einrichtung zum steuern einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2000019078A1
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Andreas Hartke
Achim Koch
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device for controlling an internal combustion engine, in which the load control takes place in particular via the gas exchange valves.
  • a device for controlling an internal combustion engine is known from WO 97/35106.
  • the device comprises a dynamic model of the intake tract and an external exhaust gas recirculation of the internal combustion engine, which is derived from equations for the mass flow balances in the intake tract and the exhaust gas recirculation device and the flow equations of ideal gases at throttle points.
  • the input variables of the dynamic model are the measured variables speed and degree of opening of the throttle valve.
  • the object of the invention is to create a device for controlling an internal combustion engine which precisely adjusts the intake manifold pressure in the intake tract of the internal combustion engine and which is also simple.
  • the object is achieved by the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention is characterized in that a controller is provided which adjusts the intake manifold pressure with high quality.
  • the control parameters of the controller are adapted during the operation of the internal combustion engine depending on current values of quantities that an observer determines, which includes a dynamic model of the intake tract of the internal combustion engine. Such an observer is preferably present anyway for calculating, for example, the gas mass flow that is drawn in by the cylinder.
  • the control parameters of the controller can thus be adapted without additional computing effort.
  • FIG. 1 an internal combustion engine
  • Figure 2 is a block diagram of a control device for the internal combustion engine with a dynamic model, a controller and a pilot control.
  • An internal combustion engine (FIG. 1) comprises an intake tract 1 with an intake manifold 10, a collector 11 and an inlet duct 12.
  • the internal combustion engine further comprises an engine block 2, which has the cylinder ZI and a crankshaft 23.
  • a piston 21 and a connecting rod 22 are assigned to the cylinder ZI.
  • the connecting rod 22 is connected to the piston 21 and the crankshaft 23.
  • a cylinder head 3 is provided in which a valve train is arranged with at least one inlet valve 30 and one outlet valve 31.
  • Each of the gas exchange valves, which are designed as inlet valve 30 and as outlet valve 31, is assigned a valve drive 32, 33.
  • the valve drives 32, 33 control the start of the stroke Duration of the stroke and thus the end of the stroke and, if applicable, the stroke amount of the respective gas exchange valve.
  • the valve drives 32, 33 are preferably designed as electromechanical actuators with at least one electromagnet, an armature with an armature plate which is movable between a first contact surface of the electromagnet and a further contact surface and which forms a spring-mass oscillator with at least one restoring means .
  • the gas exchange valve is brought into an open position or a closed position by appropriately energizing or not energizing a coil of the electromagnet.
  • the valve drives 32, 33 can also be designed electro-hydraulically or in another manner known to the person skilled in the art in such a way that a sufficient response behavior of the actuator is ensured for setting the load.
  • An injection valve 15 is arranged in the intake duct 12 in the intake tract 1.
  • a spark plug is also inserted in the cylinder head 3.
  • the injection valve 15 can alternatively be arranged in the cylinder head 3 such that the fuel is metered directly in the combustion chamber of the cylinder ZI.
  • the internal combustion engine also includes other cylinders Z2, Z3 and Z4, to which an intake and exhaust valve, valve drives, injection valves and spark plugs are assigned.
  • An exhaust tract 4 with a catalytic converter 40 and an oxygen probe is assigned to the internal combustion engine. Furthermore, a tank ventilation device is provided with a first pipe 51, which is connected via a fuel tank 52 to an activated carbon filter 53, which adsorbs and desorbs fuel vapors. The activated carbon filter 53 is connected to the collector 11 via a second pipe 54. A tank ventilation valve 55 is arranged in the second pipe 54 and is controlled by presetting a duty cycle TV TEV . A control device 6 is provided, to which sensors are assigned, which record different measured variables and each determine the measured value of the measured variable. The control device 6 determines, depending on at least one measured variable, control signals for controlling the valve drives 32, 33, the injection valve 15, the spark plug 34, the tank ventilation valve 55 and the throttle valve 14.
  • the sensors are a pedal position sensor 71, which detects a pedal position PV of the accelerator pedal 7, a position sensor 16, which detects an opening degree ⁇ DK of the throttle valve 14, an air mass meter 17, which detects an air mass flow m, a first temperature sensor 18, the one Temperature T L1 of the gas mixture sucked in by the cylinder ZI, a crankshaft angle sensor 24 which detects a crankshaft angle KW, from the time profile of which the speed N of the crankshaft 23 is calculated in the control device 6, a second temperature sensor 25 which detects a Coolant temperature T COOL detected .
  • the first temperature sensor 18 can, for example, also be arranged upstream of the throttle valve 14.
  • the control device 6 is preferably designed as an electronic engine control. However, it can also comprise several control devices which are connected to one another in an electrically conductive manner, for. B. via a bus system.
  • a physical model of the internal combustion engine is stored in the control device 6 and is processed by it.
  • An intake manifold pressure p ⁇ in the intake tract and a gas mass flow rh : vl in the cylinder ZI are calculated using this model.
  • the dynamic model is explained below.
  • the following differential equation can be drawn up for the intake manifold pressure p ⁇ from the equation of state of ideal gases, i.e. the mass flow balance: • L, ⁇
  • R denotes the general gas constant, V s the volume of the intake tract downstream of the throttle valve 14, Ti, ⁇ the temperature of the gas mixture drawn in by the cylinder, m ⁇ the air mass flow at the throttle valve, m AÜR the mass flow resulting from internal exhaust gas recirculation and m, vl the Gas mass flow in the cylinder ZI.
  • a DK denotes the
  • K is the adiabatic exponent ( ⁇ . Is for example 1.4), ⁇ DK, the flow function for the throttle valve, p 0 is the atmospheric pressure and p q, KNT a critical pressure ratio between the intake manifold pressure p s and the ambient pressure p 0 with the value 0.52.
  • ⁇ DK the flow function for the throttle valve
  • p 0 is the atmospheric pressure and p q
  • KNT a critical pressure ratio between the intake manifold pressure p s and the ambient pressure p 0 with the value 0.52.
  • Valve overlap which is related to the crankshaft angle KW and in which both the intake valve 30 and the exhaust valve 31 release at least part of their flow cross sections at the intake and exhaust port of the cylinder ZI.
  • a E v is the flow cross section at the inlet valve 30
  • T ⁇ G is the exhaust gas temperature
  • P AG is the exhaust gas pressure in the cylinder ZI during the valve overlap
  • ⁇ AG is the Flow function on the inlet valve 30 is.
  • the free flow cross-section A EV at the inlet valve 30 during the valve overlap is mainly determined by the duration of the simultaneous opening of the inlet and outlet valves 30, 31.
  • Valve overlap area related to the top dead center LW-OT in the direction of the exhaust cycle reduces the back-flowing exhaust gas mass.
  • an approach is taken after the trapezoidal integration.
  • any other time-discrete integration method such as e.g. B. the Euler method can be used.
  • An index i denotes the value of the respective size in the current calculation cycle
  • an index i-1 denotes the value of the respective size from the last calculation cycle.
  • p s is the time derivative of the intake manifold pressure
  • t ⁇ is the sampling time, ie the time period from the beginning of a calculation cycle to the beginning of the next calculation cycle.
  • the segment time t SEG which is given by, is preferably specified for the sampling time t A
  • P., Ps + ⁇ -P: S. ⁇ -1 + ⁇ A ⁇ c, ⁇ p 0 -V zv
  • FIG. 2 shows the parts of the control device 6 relevant to the invention in a block diagram.
  • An observer Bl which comprises the dynamic model of the intake tract, the relationships (F15), (F19), (F20), (F5), (F21), (F19) and (F20) in the observer in the form of a pro- grammes, which are stored in the control device 6 and are also processed in it, are to be recalculated once per calculation cycle.
  • the root terms and individual variables contained in the relationships (F1) to (F20) are preferably determined from characteristic curves or characteristic diagrams. For example, an average flow cross section A EV at the inlet valve 30 during the
  • Valve overlap determined from a map as a function of the angle section ⁇ n of the valve overlap that is specified.
  • the value ci of the relationship (FlO) is determined from a characteristic curve as a function of the temperature T L0 of the intake air in the region of the throttle valve 14.
  • the temperature T L0 is determined depending on the coolant temperature T KOEHL and the intake air temperature T L ⁇ .
  • the value c 2 of the relationship (Fll) is determined from a map as a function of an exhaust gas temperature T AG .
  • the exhaust gas temperature T AG can be estimated with good accuracy from the gas mass flow m : vl into the cylinder ZI calculated in the last calculation cycle.
  • the ambient pressure p 0 is either available as a measured value of an ambient pressure sensor or is in predetermined operating states - e.g. B. with fully open throttle valve 14 - determined from the intake manifold pressure p s .
  • the flow function ⁇ DK at the throttle valve 14 is likewise determined from a characteristic curve, specifically as a function of the ambient pressure p 0 and the ratio of an approximate value of the intake manifold pressure p s of the current calculation cycle, which is carried out using a numerical integration method, for example of the Euler method, from the intake manifold pressure ps, i- ⁇ of the previous calculation cycle, the time derivative p i _ ⁇ of the intake manifold pressure of the previous calculation cycle and the sampling time t A is calculated.
  • Valve overlap is determined in order to save computing time.
  • the average exhaust gas pressure p AG results from the following relationship:
  • the differential pressure PAG dif is taken from a characteristic curve in which values of the differential pressure due to the combustion of the air-fuel mixture in the cylinder depend on the gas mass flow m calculated in the previous calculation cycle. vl are plotted in the cylinder ZI.
  • a correction factor a wn , s ⁇ > i st is provided for correcting the average exhaust gas pressure p AG in the cylinder ZI during the valve overlap depending on a center of gravity angle ⁇ njE ⁇ P of the valve overlap.
  • the correction factor a WE ⁇ SP is determined from a map depending on the center of gravity angle ⁇ WE SP of the valve overlap.
  • the center of gravity angle ⁇ niEtSP of the valve overlap is the angle of the center of gravity of a surface of the valve overlap that is formed in a space that is spanned on the one hand by the crankshaft angle KW and on the other hand by the valve lift.
  • the flow function ⁇ AG at the inlet valve 30 is determined from a characteristic curve depending on the ratio of the average exhaust gas pressure p AG and the approximate value of the intake manifold pressure p s of the current calculation cycle.
  • a block B30 comprises a controller, the control and command variable of which is the intake manifold pressure p s .
  • the difference between the intake manifold pressure p s and its setpoint ps, soi ⁇ is determined in a summing point S1 and supplied to the controller in block B30 as control difference p s , D iff.
  • the setpoint ps, soi ⁇ is determined, for example, depending on a variable that represents the load on the internal combustion engine, or depending on intake manifold pressure requirements for functions for tank ventilation or for idling speed control.
  • the controller of the block B30 is preferably designed as a PID controller (proportional ", integral, derivative controller), the recursive calculation rule is:
  • a D ⁇ , ⁇ i A D ⁇ i - + K , ⁇ t A J PSM W ⁇ M + ⁇ TP y S s M , ⁇ , ff ('i - 2)
  • K R is a gain factor
  • T N is a reset time
  • T v is a lead time
  • the reset time T N is assigned the time constant Ti of the model using the pole compensation method.
  • the lead time T v is determined by multiplying the reset time T N by a value specified in a block B34, which is 0.3, for example.
  • the gain factor K R is assigned the inverse value of the gain K m of the model.
  • the parameterization of the reset time T N , the gain factor K R and the lead time T v according to the calculation rules of blocks B32, B31 and B34 ensures that the controller of block B30 with high control quality the intake manifold pressure p s to its setpoint Ps, s o can regulate, regardless of the current operating point in which the internal combustion engine is located.
  • the controller of block B30 calculates a control value A DK , R of the flow cross section at the throttle valve in accordance with the calculation rule (F24).
  • the accuracy of the division of the intake manifold pressure p s to its target value p s , s o i ⁇ can be increased if a pilot control value A DK , v of the flow cross section of a throttle valve is determined in a block B31.
  • the sum of the pilot control value A DK , v and the control value A DK R of the flow cross section at the throttle valve is formed in the summing point S2 and passed on to the block B35 as the set value A DK , s 0 ⁇ of the flow cross section.
  • a map is made dependent on the target value
  • a D ⁇ , s o i ⁇ of the flow cross-section at the throttle valve 14 determines a target value c DK SP of the degree of opening of the throttle valve.
  • a position controller (not shown) of the throttle valve is set to SSoollwwert c DK SP via an actuator of the throttle valve 14.

Abstract

Die Brennkraftmaschine hat einen Ansaugtrakt, in dem eine Drosselklappe angeordnet ist. Eine Steuereinrichtung hat einen Beobachter, der ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine umfaßt und einen Regler (B30), dessen Regel- und Führungsgröße der Saugrohrdruck (pS) in dem Ansaugtrakt ist, dessen Regelparameter abhängen von Größen, die der Beobachter ermittelt und der ein Stellsignal zum Steuern der Drosselklappe erzeugt.

Description

Beschreibung
Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine, bei der insbesondere die Laststeueruπg über die Gaswechselventile erfolgt.
Aus der WO 97/35106 ist eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einrichtung umfaßt ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes und einer externen Abgasrückführung der Brennkraftmaschine, das aus Gleichungen für die Massenstrombilanzen im Ansaugtrakt und der Abgasrückfüh- reinrichtung und der Durchflußgleichungen idealer Gase an Drosselstellen abgeleitet ist. Eingangsgrößen des dynamischen Modells sind die Meßgrößen Drehzahl und Öffnungsgrad der Drosselklappe.
Bei Brennkraftmaschinen mit einer Laststeuerung durch die Gaswechselventile, also die Ein- und Auslaßventile, erfolgt in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine keine oder nur eine geringe Drosselung der Ansaugluft im Ansaugtrakt.
Zum Desorbieren von Kraftstoffdämpfen aus einem Aktivkohle- filter einer Tankentlüftungseinrichtung und Ableiten der
Kraftstoffdämpfe über ein Tankentlüftungsventil in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine oder zum Gewährleisten, daß eingespritzter Kraftstoff auch im leerlaufnahen Drehzahlbereich mit hoher Güte mit der Ansaugluft vermischt wird oder verdampft, erfolgt eine Drosselung der Ansaugluft in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ,durch die Vorgabe eines Saugrohrdrucks .
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steu- ern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die den Saugrohrdruck in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine genau einstellt und die zudem einfach ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Regler vorgesehen ist, der den Saugrohrdruck mit hoher Güte einstellt. Die Regelparameter des Reglers werden dabei während des Betriebs der Brennkraftmaschine angepaßt abhängig von aktuellen Werten von Größen, die ein Beobachter ermittelt, der ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine umfaßt. Ein derartiger Beobachter ist vorzugsweise ohnehin vorhanden zum Berechnen beispielsweise des Gasmassenstroms, der von dem Zylinder angesaugt wird. Die Regelparameter des Reg- lers können somit ohne zusätzlichen Rechenaufwand angepaßt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: eine Brennkraftmaschine,
Figur 2: ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung für die Brennkraftmaschine mit einem dynamischen Modell, einem Regler und einer Vorsteuerung.
Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Saugstutzen 10, einem Sammler 11 und einem Einlaßkanal 12. Die Brennkraftmaschine umfaßt ferner einen Motorblock 2, der den Zylinder ZI und eine Kurbelwelle 23 auf- weist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder ZI zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden. Ein Zylinderkopf 3 ist vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. Jedem der Gaswechselventile, die als Einlaßventil 30 und als Auslaßventil 31 ausgebildet sind, ist ein Ventilantrieb 32, 33 zugeordnet. Die Ventilantriebe 32, 33 steuern den Hubbeginn, die Dauer des Hubes und somit das Hubende und ggf. den Hubbetrag des jeweiligen Gaswechselventils. Die Ventilantriebe 32, 33 sind vorzugsweise als elektromechanische Stellantriebe ausgebildet mit mindestens einem Elektromagneten, einem Anker mit einer Ankerplatte, die zwischen einer ersten Anlagefläche des Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche beweglich ""ist und die mit mindestens einem Rückstellmittel einem Feder- Masse-Schwinger bildet. Durch entsprechendes Bestromen oder Nicht-Bestromen einer Spule des Elektromagneten wird das Gas- wechselventil in eine Offenposition oder eine Schließposition gebracht. Die Ventilantriebe 32, 33 können auch elektrohy- draulisch oder in einer sonstigen, dem Fachmann bekannten Weise derart ausgebildet sein, daß ein zum Einstellen der Last ausreichendes Ansprechverhalten des Stellantriebs ge- währleistet ist. In dem Ansaugtrakt 1 ist ein Einspritzventil 15 in dem Einlaßkanal 12 angeordnet. In dem Zylinderkopf 3 ist ferner eine Zündkerze eingebracht. Das Einspritzventil 15 kann alternativ auch derart in dem Zylinderkopf 3 angeordnet sein, daß der Kraftstoff direkt in dem Brennraum des Zylin- ders ZI zugemessen wird.
Neben dem Zylinder ZI umfaßt die Brennkraftmaschine noch weitere Zylinder Z2, Z3 und Z4, denen entsprechend ein Ein- und Auslaßventil, Ventilantriebe, Einspritzventile und Zündkerzen zugeordnet sind.
Ein Abgastrakt 4 mit einem Katalysator 40 und einer Sauerstoffsonde ist der Brennkraftmaschine zugeordnet. Ferner ist eine Tankentlüftungseinrichtung vorgesehen mit einem ersten Rohr 51, das über einen Kraftstofftank 52 mit einem Aktivkohlefilter 53, das Kraftstoffdämpfe .adsorbiert und desorbiert verbunden. Das Aktivkohlefilter 53 ist über ein zweites Rohr 54 mit dem Sammler 11 verbunden. In dem zweiten Rohr 54 ist ein Tankentlüftungsventil 55 angeordnet, das durch Vorgabe eines Tastverhältnisses TVTEV angesteuert wird. Eine Steuereinrichtung 6 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße Stellsignale zum Steuern der Ventilantriebe 32, 33, des Einspritzventils 15, der Zündkerze 34, des Tankentlüftungsventils 55 und der Drosselklappe 14.
Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 71, der eine Pedal- Stellung PV des Fahrpedals 7 erfaßt, ein Positionssensor 16, der einen Öffnungsgrad αDK der Drosselklappe 14 erfaßt, ein Luftmassenmesser 17, der einen Luftmassenstrom m, erfaßt, ein erster Temperatursensor 18, der eine Temperatur TL1 des von dem Zylinder ZI angesaugten Gasgemisches erfaßt, ein Kurbel- wellenwinkel-Geber 24, der einen Kurbelwellenwinkel KW erfaßt, aus dessen zeitlichen Verlauf in der Steuereinrichtung 6 die Drehzahl N der Kurbelwelle 23 berechnet wird, ein zweiter Temperatursensor 25, der eine Kühlmitteltemperatur TKUEL erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine be- liebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein. Der erste Temperatursensor 18 kann beispielsweise auch stromaufwärts der Drosselklappe 14 angeordnet sein.
Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.
Ein physikalisches Modell der Brennkraftmaschine ist in der Steuereinrichtung 6 gespeichert und wird von dieser abgearbeitet. Ein Saugrohrdruck pΞ in dem Ansaugtrakt und ein Gasmassenstrom rh:vl in den Zylinder ZI werden mittels dieses Modells berechnet. Das dynamische Modell wird im folgenden er- läutert. Für den Saugrohrdruck pΞ läßt sich folgende Differentialgleichung aus der Zustandsgieichung idealer Gase, also der Massenstrombilanz aufstellen: • L,\
(mDK + mAGR - m Λ ι :
Dabei bezeichnet R die allgemeine Gaskonstante, Vs das Volumen des Ansaugtraktes stromabwärts der Drosselklappe 14, Ti, ι die Temperatur des vom Zylinder angesaugten Gasgemisches, mυκ den Luftmassenstrom an der Drosselklappe, mAÜR den aus interner Abgasrückführung resultierenden Massenstrom und m,vl den Gasmassenstrom in den Zylinder ZI.
Der Luftmassenstrom mDK an der Drosselklappe 14 wird aus der Durchflußgleichung idealer Gase durch Drosselstellen abgeleitet. Demnach gilt
2κ 1 m DK A DK - ] κ - l RT, ΨDKPO (F2)
£0
mit
Figure imgf000007_0001
für unterkritische Druckverhältnisse und
P ~ P (F4)
für kritische Druckverhältnisse. Dabei bezeichnet ADK den
Strömungsquerschnitt an der Drosselklappe 14, K den Adiabaten-Exponenten (Λ: ist z. B. 1,4), ΨDK die Durchflußfunktion für die Drosselklappe, p0 den Umgebungsdruck und pq,knt ein kritisches Druckverhältnis zwischen dem Saugrohrdruck ps und dem Umgebungsdruck p0 mit dem Wert 0,52. Falls bevorzugt ein elektromechanischer Ventilantrieb 32, 33 eingesetzt wird, so gewährleisten entsprechende Funktionen in der Steuereinrichtung 6, daß Bauteilstreuungen der Ventilantriebe 32, 33 mit einer so ausreichenden Güte kompensiert werden, daß der von dem Zylinder ZI angesaugte Gasmassens'trom m,vl abhängig von einem Soll-Mengenstrom V,vl in den Zylinder- ZI ermittelt werden kann. Demnach ergibt sich die Beziehung
Figure imgf000008_0001
Eine interne Abgasrückführung erfolgt durch entsprechendes Einstellen der Ventilüberschneidung, die definiert ist als der Bereich des Kurbelwellenwinkels KW, in dem sowohl das Einlaßventil 30 als auch das Auslaßventil 31 zumindest einen Teil ihrer Strömungsquerschnitte am Ein- und Auslaßkanals des Zylinders freigeben. Bei interner Abgasrückführung strömt ein Teil des Abgases zurück in den Ansaugtrakt 1 und wird dann im folgenden Ansaugtakt wieder in den Brennraum des Zylinders ZI angesaugt. Falls ein Druckgefälle von dem Abgastrakt 4 hin zu dem Zylinder ZI und weiter hin zu dem Ansaugtrakt 1 besteht, so strömt auch Abgas von dem Abgastrakt 4 zurück in den Zylinder ZI und von dort in den Ansaugtrakt 1.
Der aus interner Abgasrückführung resultierende Massenstrom mA(1R hängt wesentlich ab von einem Winkelabschnitt φnm der
Ventilüberschneidung, der bezogen ist auf den Kurbelwellenwinkel KW ist und in dem sowohl das Einlaßventil 30 als auch das Auslaßventil 31 zumindest einen Teil ihrer Strömungsquerschnitte am Ein- und Auslaßkanal des Zylinders ZI freigeben.
Der aus interner Abgasrückführung resultierende Massenstrom mΛUR wird aus der Durchflußgleichung idealer Gase durch Drosselstellen abgeleitet. Es gilt: m AG jli ~ AGP AG ( F6 !
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0002
für unterkritische Druckverhaltnisse und
Pg knt ' - Pl kπ, * ( F 8 ) f r überkritische Druckverhaltnisse, wobei AEv der Stromungsquerschnitt an dem Einlaßventil 30 ist, TÄG die Abgastemperatur ist, PAG der Abgasdruck in dem Zylinder ZI wahrend der Ventiluberschneidung ist und ψAG die Durchflußfunktion an dem Einlaßventil 30 ist. Der freie Stromungsquerschnitt AEV an dem Einlaßventil 30 wahrend der Ventiluberschneidung wird hauptsächlich durch die Dauer der gleichzeitigen Öffnung des Ein- und Auslaßventils 30, 31 bestimmt. Je großer der Win- kelabschnitt φnn der Ventiluberschneidung ist, desto großer ist der Stromungsquerschnitt AEV an dem Einlaßventil 30. Bei einem gleichen Winkelabschnitt φnn der Ventiluberschneidung wird durch ein Verschieben eines Schwerpunktwinkels φniL l, der
Ventiluberschneidungsflache bezogen auf den oberen Totpunkt LW-OT m Richtung des Abgastaktes die ruckstromende Abgasmasse verringert.
Setzt man die Beziehung (F2), (F5), (F6) in (Fl) ein, so ergibt sich daraus folgende Beziehung für den Saugrohrdruck ps:
Ps : F9 )
Figure imgf000009_0003
Mit den Abkürzungen
Figure imgf000009_0004
Figure imgf000010_0001
ergibt sich :
+ AEVc2 ψAGpAG (F12)
Figure imgf000010_0002
Für eine zeitdiskrete Darstellung der Beziehung (F12) wird ein Ansatz nach der Trapezintegration gemacht. Alternativ kann jedoch auch ein beliebiges anderes zeitdiskretes Inte- grationsverfahren, wie z. B. das Euler-Verfahren, eingesetzt werden. Ein Index i kennzeichnet jeweils den Wert der jeweiligen Größe im aktuellen Berechnungszyklus, ein Index i-1 kennzeichnet jeweils den Wert der jeweiligen Größe aus dem letzten Berechnungszyklus.
Mit dem Ansatz der Trapezintegration ergibt sich für den Saugrohrdruck pSrl im aktuellen Berechungszyklus die Beziehung:
Figure imgf000010_0003
wobei ps die zeitliche Ableitung des Saugrohrdrucks ist und tÄ die Abtastzeit ist, d. h. die Zeitdauer von einem Beginn eines Berechnungszyklusses bis zum Beginn des nächsten Be- rechnungszyklusses.
Für die Abtastzeit tA wird vorzugsweise die Segmentzeit tSEG vorgegeben, die gegeben ist durch
Figure imgf000010_0004
wobei Z die Zylinderzahl und N die Drehzahl ist. Die Beziehung (F12) eingesetzt eingesetzt in (F13) ergibt
tAXTu
P ., = Ps + ■ -P: S.ι-1 + ■ Aυκc,ψp0-Vzv
2 , + AEV IΨAGP AGJ (F15;
RTU
Wird (F15) nach dem Saugrohrdruck ps aufgelöst, so ergibt sich die rekursive Modellgleichung:
Figure imgf000011_0001
Für die zeitliche Ableitung ps des Saugrohrdrucks kann näherungsweise angesetzt werden
A-.-ι=A,,-ι-A-,-ι :FI7:
Die Beziehung (F12) kann jedoch auch so umgeformt werden, daß sich ergibt:
Vv RT, RT„
Ps V. + Ps v ADKC ΨDKP + -ψ- AEVCIΨAGPAG :FI8' zvl V zvl V zvl
RT /,.
K... = ,] F19; v„ - DKPO (
T =— V~ (F20) y zvl
ergibt sich wobei (F21) die Modellgleichung des Modells des Ansaugtraktes 1 ist und Ti die Zeitkonstante dieses Modells und Km die Verstärkung dieses Modells sind.
In Figur 2 sind die für die Erfindung relevanten Teile der Steuereinrichtung 6 in einem Blockdiagramm dargestellt. Ein Beobachter Bl, der das dynamische Modell des Ansaugtraktes umfaßt, wobei die Beziehungen (F15), (F19) , (F20), (F5), (F21), (F19) und (F20) in dem Beobachter in Form eines Pro- gramms, das in der Steuereinrichtung 6 gespeichert ist und in dieser auch abgearbeitet wird, jeweils einmal pro Berechnungszyklus neu berechnet werden.
Bevorzugt werden die in den Beziehungen (Fl) bis (F20) ent- haltenen Wurzel-Terme und einzelne Größen aus Kennlinien oder Kennfeldern ermittelt. So wird beispielsweise ein mittlerer Strömungsquerschnitt AEV an dem Einlaßventil 30 während der
Ventilüberschneidung aus einem Kennfeld abhängig von dem Winkelabschnitt φn der Ventilüberschneidung, der vorgegeben ist, ermittelt. Der Wert ci der Beziehung (FlO) wird aus einer Kennlinie abhängig von der Temperatur TL0 der Ansaugluft im Bereich der Drosselklappe 14 ermittelt. Die Temperatur TL0 wird abhängig von der Kühlmitteltemperatur TKOEHL und der Ansauglufttemperatur TLι ermittelt. Der Wert c2 der Beziehung (Fll) wird aus einem Kennfeld abhängig von einer Abgastemperatur TAG ermittelt. Die Abgastemperatur TAG kann dabei mit guter Genauigkeit aus dem in dem letzten Berechnungszyklus berechneten Gasmassenstrom m:vl in den Zylinder ZI abgeschätzt werden. Der Umgebungsdruck p0 liegt entweder als Meßwert ei- nes Umgebungsdrucksensors vor oder wird in vorgegebenen Be- triebszuständen - z. B. bei vollständig geöffneter Drosselklappe 14 - aus dem Saugrohrdruck ps ermittelt. Die Durchflußfunktion ψDK an der Drosselklappe 14 wird ebenfalls aus einer Kennlinie ermittelt und zwar abhängig von dem Umge- bungsdruck p0 und dem Verhältnis eines Näherungswertes des Saugrohrdrucks ps des aktuellen Berechnungszyklus, der mittels eines numerischen Integrationsverfahrens, beispielsweise des Euler-Verfahrens, aus dem Saugrohrdruck ps,i-ι des vorangegangenen Berechnungszyklusses, der zeitlichen Ableitung p i_ι des Saugrohrdrucks des vorangegangenen Berechnungszyklusses und der Abtastzeit tA berechnet wird. Statt eines Ab- gasdrucks pAG wird ein mittlerer Abgasdruck pAG während d^r
Ventilüberschneidung ermittelt, um so Rechenzeit zu sparen. Der mittlere Abgasdruck pAG ergibt sich aus der folgenden Beziehung:
PAG = P0 + PAGM anmjse ( F21 )
Der Differenzdruck PAG,dif wird einer Kennlinie entnommen, in der Werte des Differenzdrucks durch die Verbrennung des Luft- Kraftstoff-Gemisches in dem Zylinder abhängig von dem in dem vorangegangenen Berechnungszyklus berechneten Gasmassenstrom m.vl in dem Zylinder ZI aufgetragen sind. Ein Korrekturfaktor awn,sι> ist vorgesehen zur Korrektur des mittleren Abgasdrucks pAG in dem Zylinder ZI während der Ventilüberschneidung abhängig von einem Schwerpunktwinkel φnjE^P der Ventilüber- schneidung. Der Korrekturfaktor aWE<SP wird aus einem Kennfeld abhängig von dem Schwerpunktwinkel φWE SP der Ventilüberschneidung ermittelt. Der Schwerpunktwinkel φniEtSP der Ventilüberschneidung ist der Winkel des Schwerpunkts einer Fläche der Ventilüberschneidung, die in einem Raum gebildet ist, der einerseits durch den Kurbelwellenwinkel KW und andererseits durch den Ventilhub aufgespannt ist.
Die Durchflußfunktion ψ AG an dem Einlaßventil 30 wird aus einer Kennlinie abhängig von dem Verhältnis des mittleren Ab- gasdrucks pAG und des Näherungswertes des Saugrohrdruck ps des aktuellen Berechnungszyklusses ermittelt.
Ein Block B30 umfaßt einen Regler, dessen Regel- und Führungsgröße der Saugrohrdruck ps ist. In einer Summierstelle Sl wird die Differenz des Saugrohrdrucks ps und seines Sollwertes ps,soiι ermittelt und als Regeldifferenz ps,Diff dem Regler im Block B30 zugeführt. Der Sollwert ps,soiι wird bei- spielsweise abhängig von einer Größe, die die Last an der Brennkraftmaschine repräsentiert, oder abhängig von Saugrohr- druckanforderungen von Funktionen zur Tankentlüftung oder zu der Leerlaufdrehzahl-Regelung ermittelt. Der Regler des Blocks B30 ist vorzugweise als PID-Regler (Proportional-", Integral-, Differential-Regler) ausgebildet, dessen rekursive Berechnungsvorschrift lautet:
ADκ,Λi = ADκ i - + K,ι tA J PSM W ~ M + ~TP ySsM,<ι,ff ('i - 2)
Figure imgf000014_0001
(F24)
wobei KR ein Verstärkungsfaktor, TN eine Nachstellzeit und Tv eine Vorhaltezeit sind.
Der Nachstellzeit TN wird in einem Block B31 in Anwendung des Polkompensations-Verfahrens die Zeitkonstante Ti des Modells zugeordnet. Die Vorhaltezeit Tv wird durch Multiplikation der Nachstellzeit TN mit einem in einem Block B34 vorgegebenen Wert, der beispielsweise 0,3 beträgt, ermittelt.
In einem Block B32 wird dem Verstärkungsfaktor KR der inverse Wert der Verstärkung Km des Modells zugeordnet.
Durch die Parametrierung der Nachstellzeit TN, des Verstärkungsfaktors KR und der Vorhaltezeit Tv entsprechend der Berechnungsvorschriften der Blöcke B32, B31 und B34 ist gewährleistet, daß der Regler des Blocks B30 mit hoher Regelgüte den Saugrohrdruck ps auf seinen Sollwert Ps,soiι einregeln kann, auch unabhängig vom aktuellen Betriebspunkt, in dem sich die Brennkraftmaschine befindet.
Der Regler des Blocks B30 berechnet gemäß der Berechnungsvorschrift (F24) einen Regelwert ADK,R des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe. Die Genauigkeit des Einsteilens des Saugrohrdrucks ps auf seinen Sollwert ps,soiι kann noch erhöht werden, wenn in einem Block B31 ein Vorsteuerwert ADK,v des Strömungsquerschnitts einer Drosselklappe ermittelt wird. Die Berechnungsvorschrift zum Berechnen des Vorsteuerwertes ADK,v wird aus der Beziehung (F21) unter der Annahme eines stationären Saugrohrdrucks pS r d. h. ps = hergeleitet. Sie lautet wie folgt:
RT £,1
Ps V, AEVCJ ΨAGPAG zvl lυκr 26 )
K.
In der Summierstelle S2 wird die Summe des Vorsteuerwertes ADK,v und des Regelwertes ADK R des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe gebildet und als Sollwert ADK,s0ιι des Strömungsquerschnitts an den Block B35 weitergeleitet. In dem Block B35 wird aus einem Kennfeld abhängig von dem Sollwert
ADκ,soiι des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe 14 ein Sollwert c DK SP des Öffnungsgrades der Drosselklappe ermittelt. Ein nicht dargestellter Lageregler der Drosselklappe sstteelllltt ddeenn SSoollllwweert c DK SP über einen Stellantrieb der Dros- seiklappe 14 ein.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt (1), in dem eine Drosselklappe (14) angeordnet ist, bei der ein Beobachter vorgesehen ist, der ein dynamisches Modell des Ansaugtraktes (1) der Brennkraftmaschine- umfaßt, und ein Regler (B30) vorgesehen ist,
- dessen Regel- und Führungsgröße der Saugrohrdruck (ps) in dem Ansaugtrakt (1) ist, - dessen Regelparameter abhängen von Größen, die der Beobachter ermittelt, und
- der ein Stellsignal zum Steuern der Drosselklappe (14) erzeugt .
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Regelparameter abhängt von einer Zeitkonstante des Modells.
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Regelrparame- ter abhängt von einem Verstärkungsfaktor des Modells.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Regelparameter ab- hängt von einem Mengenstrom { V,vl ) in einen Zylinder (ZI) der
Brennkraftmaschine .
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Regelparameter abhängt von der Temperatur (TLχ) der Luft, die von dem Zylinder (ZI) angesaugt wird.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (B30) als Proportional-, Integral- und Differential- Regler ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorsteuerung (B31) vorgesehen ist, die das Stellsignal korrigiert.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ," daß das Stellsignal des Reglers (B30) ein Strömungsquerschnitt" (ADK,R) an der Drosselklappe (14) ist und daß die Vorsteuerung (B31) einen Korrekturströmungsquerschnitt (ADK/V) ermittelt, der abgeleitet ist von einer Berechnungsvorschrift des Mo- dells für den Saugrohrdruck (ps) unter der Annahme, daß der Saugrohrdruck (ps) stationär ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung abhängt von einem Schätzwert des Saugrohrdrucks in dem Ansaugtrakt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung abhängt von einem Schätzwert des Abgasdrucks in dem Zylinder während einer Ven- tilüberschneidung der Ein- und Auslaßventile des Zylinders.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung abhängt von einem Schätzwert des Umgebungsdrucks.
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