WO2023052003A1 - Kompensationsregler zur ladedruckregelung bei aufgeladenen verbrennungsmotoren - Google Patents

Kompensationsregler zur ladedruckregelung bei aufgeladenen verbrennungsmotoren Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a compensation controller for an electronic control unit for controlling the boost pressure in supercharged internal combustion engines with at least two actuators.
  • the object of the present invention is to improve a controller for charge pressure control in such a way that when switching from one actuator to the other actuator, negative effects such as drops in the charge pressure, associated fluctuations in traction and jerks noticeable to the driver are avoided.
  • the invention relates to a compensation controller for an electronic control unit for controlling the boost pressure in supercharged internal combustion engines, having at least two actuators which differ in terms of their route amplification or transfer behavior.
  • the control unit has a correction module in such a way that at least one controller parameter is smoothed in a defined transition range and the integrative component (e.g. the I component of a PI or PID controller) in a defined transition range with a ratio or the difference between the system gains corresponding correction value is transferred.
  • the integrative component e.g. the I component of a PI or PID controller
  • the smoothing of the controller parameters preferably takes place in a defined transition range and the integrative component is corrected at an initialization time when the control is transferred from the first actuator to the second actuator with the first actuator fully open.
  • the transition area therefore begins at an initialization time when the control transfers from the first actuator with a first system gain (in particular after the first actuator has reached the fully open position) to the second actuator with a second system gain that differs from the first.
  • the invention is based on the following considerations:
  • multiple actuators are used to achieve a target variable. This is the case, for example, when a number of drive units are used simultaneously in a vehicle in order to meet the driver's request. Further examples can be found in the boost pressure control of supercharged combustion engines and here in particular in variants with multi-stage supercharging.
  • an exhaust gas turbocharger with variably adjustable turbine geometry also called VTG for short
  • a bypass flap exhaust gas control flap, also called RK for short
  • HP high-pressure stage
  • LP low-pressure stage
  • One target variable (e.g. target boost pressure) is then set with a common control system that uses a number of actuators. All but one of the actuators are often controlled, and regulation is accomplished with a single actuator.
  • a compensation control must be added to compensate for model errors, disturbances, changes in the system due to aging, etc. In many cases this compensation control is a simple PI or PID controller.
  • the compensation controller is designed as aggressively as possible. Different parameterizations of the compensation control are used for the different actuators, as a result of which there are abrupt changes in the output of the compensation controller when there is a transition from one actuator to the other actuator. In the worst case, the control is then carried out at least briefly on the first actuator and then the second actuator is controlled again.
  • the parameterization of the compensation control is smoothed before, after or before and after the transition from one actuator to the other actuator, in particular in a defined transition range, so that there is no longer a sudden change in the output of the compensation controller.
  • the integral part in the compensation controller is divided so that on the one hand the transition to the other actuator is retained and on the other hand the remaining, integral part is scaled with the different gains or set to zero.
  • At least one controller parameter is smoothed out in a defined transition range in order to prevent abrupt changes in the correction value.
  • the I component is Corrected the ratio of the (different) track gains.
  • This correction value can be taken, for example, from a characteristic curve or a table that is empirical can be determined and stored in the control unit. However, it can also be in the form of a factor in the control unit.
  • control unit therefore contains, in particular through appropriate software programming, a compensation controller with a correction module for adapting the controller parameters and scaling when transferring the integrative component to the difference in system gain when transferring control from one actuator to another actuator.
  • the invention can be used particularly advantageously in a first case when the control is transferred from the VTG at the HD stage in a supercharged biturbocharger internal combustion engine (e.g. diesel engine) to the control valve (bypass valve at the HD stage) and vice versa. Furthermore, the invention can also be used in a second case when the control is transferred from the control flap on the HP stage to the VTG on the LP stage in a supercharged internal combustion engine with a rigid HP stage in two-stage supercharging operation and vice versa.
  • a supercharged biturbocharger internal combustion engine e.g. diesel engine
  • the invention can also be used in a second case when the control is transferred from the control flap on the HP stage to the VTG on the LP stage in a supercharged internal combustion engine with a rigid HP stage in two-stage supercharging operation and vice versa.
  • FIG. 2 shows an enlargement of the control unit with a correction module according to the invention
  • Fig. 1 shows a section of essential components of a double-charged diesel engine D as an example of an internal combustion engine with a first turbocharger (including a first actuator 1) and with an exhaust gas bypass control valve (including a second actuator 2) in a high-pressure path HD level and with a second turbocharger 3 in a low-pressure path ND level.
  • At least the turbocharger in the high-pressure path has a variably adjustable turbine geometry (VTG actuator 1).
  • the control flap has a variably adjustable valve (RK actuator 2).
  • the internal combustion engine D has a pressure sensor P1 on the input side for detecting the high-pressure charge pressure p_HD_actual and optionally a pressure sensor P2 for detecting the precompression p_ND_actual.
  • the invention is described below, as mentioned above, for a first case when the control is transferred from the VTG to the HD stage, i.e. from the first (VTG) actuator 1, to the control flap, i.e. the second (RK) actuator 2 explained.
  • the internal combustion engine D and, in particular, also the charge pressure is regulated by an electronic control unit 4 .
  • the current high-pressure boost pressure p_HD_actual is the input signal of the electronic control unit 4.
  • the target high-pressure boost pressure p_HD_soll is also specified as a command variable of a controller, for example a model-based boost pressure controller supplemented by a PI controller for compensation.
  • control unit 4 contains a controller, in particular a compensation controller according to the invention with a correction module 5.
  • exemplary output signals of the control unit 4 are the control signals for the first actuator 1 (VTG) and the second actuator 2 (RK).
  • the configuration (in particular programming) of the correction module 5 is explained in more detail in connection with FIG. 3 .
  • the VTG actuator 1 and the RK actuator 2 have different track gains. These are shown schematically as an example in Fig. 3:
  • controller parameters to be smoothed and the correction of the I component are considered with reference to FIG.
  • a position change Ar_T of 40% is required with the first actuator 1 and only a position change Ar_B of 8.2% with the second actuator 2 .
  • This difference in the system amplification (amplification factors through AA/Ar_T or AA/Ar_B) is represented by forming the ratio of the amplification factors k_T and k_B and as a correction value for the I component i_T of the first actuator 1 to the I component i_B of the second actuator 2 Are defined.
  • the invention can also be applied analogously, for example, to the pressure control in the LP stage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kompensationsregler für eine elektronische Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Stellgliedern, die sich in ihren Streckenverstärkungen bzw. Übertragungsverhalten unterscheiden. Dabei weist die Steuereinheit ein Korrekturmodul dergestalt auf, dass mindestens ein Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich verschliffen wird und ein integrativer Anteil mit einem dem Verhältnis oder der Differenz der Streckverstärkungen entsprechenden Korrekturwert übergeben wird. Vorzugsweise findet das Verschleifen der Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich statt und die Korrektur des integrativen Anteils erfolgt zu einem Initialisierungszeitpunkt, wenn die Regelung vom ersten Stellglied bei vollständig geöffnetem ersten Stellglied an das zweite Stellglied übergeben wird.

Description

Kompensationsregler zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft einen Kompensationsregler für eine elektronische Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Stellgliedern.
Es sind bereits diverse Regler zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Stellgliedern bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Regler zur Ladedruckregelung dahingehend zu verbessern, dass bei einer Umschaltung von einem Stellglied auf das andere Stellglied negative Auswirkungen, wie beispielsweise Einbrüche des Ladedrucks, damit verbundene Zugkraftschwankungen und für den Fahrer spürbare Rucke, vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung betrifft einen Kompensationsregler für eine elektronische Steuereinheit zur Ladedruckregelung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Stellgliedern, die sich in ihren Streckenverstärkungen bzw. Übertragungsverhalten unterscheiden.
Dabei weist die Steuereinheit ein Korrekturmodul dergestalt auf, dass mindestens ein Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich verschliffen wird und der integrative Anteil (beispielsweise der I-Anteil eines PI- oder PID-Reglers) in einem definierten Übergangsbereich mit einem dem Verhältnis oder der Differenz der Streckenverstärkungen entsprechenden Korrekturwert übergeben wird.
29.09.2021 Vorzugsweise findet das Verschleifen der Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich statt und die Korrektur des integrativen Anteils erfolgt zu einem Initialisierungszeitpunkt, wenn die Regelung vom ersten Stellglied bei vollständig geöffnetem ersten Stellglied an das zweite Stellglied übergeben wird.
Der Übergangsbereich beginnt also zu einem Initialisierung-Zeitpunkt, wenn die Regelung von dem ersten Stellglied mit einer ersten Streckenverstärkung (insbesondere nach Erreichen der vollständigen Offenstellung des ersten Stellgliedes) an das zweite Stellglied mit einer zweiten, sich von der ersten unterscheidenden Streckenverstärkung übergeht.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
In vielen technischen Systemen werden mehrere Stellglieder verwendet, um eine Zielgröße zu erreichen. Beispielsweise ist dies der Fall, wenn bei einem Fahrzeug mehrere Antriebseinheiten gleichzeitig verwendeten werden, um dem Fahrerwunsch zu entsprechen. Weitere Beispiele ergeben sich in der Ladedruck-Regelung von aufgeladenen Verbrennungsmotoren und hier im Speziellen bei Varianten mit mehrstufiger Aufladung. Einerseits gibt es Varianten, bei denen zwei verschiedene Stellglieder, ein Abgasturbolader mit variabel verstellbarer Turbinengeometrie (auch kurz VTG genannt) und eine Bypass- Klappe (Abgas-Regelklappe, auch kurz RK genannt), an der Hockdruck- Stufe (HD) verwendet werden. Andererseits besteht bei Topologien mit starrer HD-Stufe die Möglichkeit die Niederdruck-Stufe (ND) direkt einzubeziehen.
Die eine Zielgröße (z. B. Soll-Ladedruck) wird dann mit einer gemeinsamen Regelung eingestellt, die sich mehrerer Stellglieder bedient. Häufig werden alle bis auf ein Stellglied angesteuert und mit einem einzigen Stellglied wird die Regelung bewerkstelligt.
Problematisch gestaltet sich die Situation, in der die eigentliche Regelung zur Erreichung der Zielgröße von einem Stellglied auf ein anderes Stellglied wechselt.
Unabhängig davon, ob eine modellbasierte Regelung oder eine Regelung auf Basis von Daten und Experimenten verwendet wird, muss eine Kompensationsregelung ergänzt werden, um Modellfehler, Störungen, Veränderungen des Systems über Alterung, etc. auszugleichen. In vielen Fällen ist diese Kompensationsregelung ein einfacher PI- oder PID- Regler.
Stark unterschiedliche Streckenverstärkungen bei Verwendung der unterschiedlichen Stellglieder sind aus regelungstechnischer Sicht problematisch. Um die maximale Performance zu erreichen, wird der Kompensationsregler jedoch möglichst aggressiv ausgelegt. Für die unterschiedlichen Stellglieder werden unterschiedliche Parametrierungen der Kompensationsregelung verwendet, wodurch es beim Übergang von einem Stellglied auf das andere Stellglied zu sprunghaften Änderungen des Ausgangs des Kompensationsreglers kommt. Im schlechtesten Fall wird dann die Regelung zumindest kurzzeitig am ersten Stellglied vorgenommen und anschließend erfolgt wiederum die Regelung am zweiten Stellglied.
Ein integraler Anteil (z. B. der I-Anteil eines PI Reglers) im Kompensationsregler, der auf dem ersten Stellglied "gelernt" wurde, wird nach dem Stand der Technik auch auf das andere Stellglied übertragen und führt dort zu einer Über- oder Unterkompensation, insbesondere dann, wenn sich die Stellglieder in ihrem Übertragungsverhalten durch unterschiedliche Streckenverstärkungen stark ändern. Ferner dauert es unter Umständen sehr lange, bis ein integrativer Anteil mit der Parametrierung des Kompensationsreglers für ein anderes Stellglied "richtig gelernt" wird. Während dieser Zeit wird das Regelziel nicht erreicht.
Die beiden oben beschriebenen Probleme werden erfindungsgemäß grundsätzlich auf folgende Weise gelöst:
Die Parametrierung der Kompensationsregelung wird vor, nach oder vor und nach dem Übergang von einem Stellglied auf das andere Stellglied, insbesondere in einem definierten Übergangsbereich, verschliffen, sodass es zu keiner sprunghaften Änderung des Ausgangs des Kompensationsreglers mehr kommt. Der integrale Anteil im Kompensationsregler wird aufgeteilt, sodass einerseits der Übergang auf das andere Stellglied erhalten bleibt und andererseits der verbleibende, integrale Anteil mit den unterschiedlichen Verstärkungen skaliert bzw. zu Null gesetzt wird.
Mit anderen Worten wird in einer den Regler aufweisenden elektronischen Steuereinheit mindestens ein Reglerparameter in einem definierten Übergangsberiech verschliffen, um sprunghafte Änderungen des Korrekturwerts zu verhindern. Ferner wird der I-Anteil, wenn die Regelung vom ersten Stellglied mit der niedrigeren Streckenverstärkung (z.B. VTG an der HD-Stufe) an das Stellglied mit der höheren Streckenverstärkung (z.B. Bypass- Regelklappe an der HD-Stufe) übergeben werden soll, mit dem Verhältnis der (unterschiedlichen) Streckenverstärkungen korrigiert. Dieser Korrekturwert kann beispielsweise aus einer Kennlinie bzw. einer Tabelle entnommen werden, die empirisch ermittelt und in der Steuereinheit abgespeichert sein kann. Sie kann aber auch in Form eines Faktors in der Steuereinheit vorliegen.
Die Steuereinheit enthält also erfindungsgemäß, insbesondere durch entsprechende Software-Programmierung, einen Kompensationsregler mit einem Korrekturmodul zur Anpassung der Reglerparameter und eine Skalierung bei der Übergabe des integrativen Anteils an den Unterschied der Streckenverstärkung bei der Übergabe der Regelung von einem Stellglied auf ein anderes Stellglied.
Die Erfindung kann besonders vorteilhaft in einem ersten Fall bei der Übergabe der Regelung vom VTG an der HD-Stufe bei einem aufgeladenen Biturbolader- Verbrennungsmotor (z.B. Dieselmotor) auf die Regelklappe (Bypass-Klappe an der HD- Stufe) und umgekehrt eingesetzt werden. Weiterhin kann die Erfindung in einem zweiten Fall auch bei der Übergabe der Regelung von der Regelklappe an der HD-Stufe auf die VTG an der ND-Stufe bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit starrer HD-Stufe im weiterhin zweistufigen Betrieb der Aufladung und umgekehrt eingesetzt werden.
Die Erfindung wird am Beispiel des ersten Falles anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt von Komponenten eines doppelt aufgeladenen Verbrennungsmotors,
Fig. 2 eine Vergrößerung der Steuereinheit mit erfindungsgemäßem Korrekturmodul, Fig. 3 eine Darstellung der Streckenverstärkungsunterschiede mit Korrekturwertermittlung und
Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Darstellung des Übergangsbereichs.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt von wesentlichen Komponenten eines doppelt aufgeladenen Dieselmotors D als Beispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem ersten Turbolader (einschließlich eines ersten Stellgliedes 1) und mit einer Abgas-Bypass-Regelklappe (einschließlich eines zweiten Stellgliedes 2) in einem Hockdruck- Pfad HD-Stufe sowie mit einem zweiten Turbolader 3 in einem Niederdruck- Pfad ND-Stufe. Zumindest der Turbolader im Hockdruck- Pfad weist eine variabel verstellbare Turbinengeometrie (VTG-Stellglied 1) auf. Die Regelklappe weist ein variabel verstellbares Ventil (RK-Stellglied 2) auf. Weiterhin weist der Verbrennungsmotor D eingangsseitig einen Drucksensor P1 zur Erfassung des Hochdruck-Ladedrucks p_HD_ist und optional einen Drucksensor P2 zur Erfassung der Vorverdichtung p_ND_ist auf. Die Erfindung wird im Folgenden, wie oben erwähnt, für einen ersten Fall bei der Übergabe der Regelung vom VTG an der HD-Stufe, also vom ersten (VTG-) Stellglied 1, auf die Regelklappe, also das zweite (RK-) Stellglied 2 erläutert.
Der Verbrennungsmotor D und insbesondere auch der Ladedruck wird durch eine elektronische Steuereinheit 4 geregelt. Beispielsweise ist der aktuelle Hochdruck-Ladedruck p_HD_ist Eingangssignal der elektronischen Steuereinheit 4. In der elektronischen Steuereinheit 4 wird auch der Soll-Hochdruck-Ladedruck p_HD_soll als Führungsgröße eines Reglers, beispielsweise eines modellbasierten Ladedruckreglers ergänzt um einen PI- Regler zur Kompensation, vorgegeben.
In Fig. 2 ist die Steuereinheit 4 noch etwas detaillierter dargestellt. Die Steuereinheit 4 enthält einen Regler, insbesondere einen erfindungsgemäßen Kompensationsregler mit einem Korrekturmodul 5. Beispielhafte Ausgangssignale der Steuereinheit 4 sind die Ansteuersignale für das erste Stellglied 1 (VTG) und das zweite Stellglied 2 (RK).
Die Ausgestaltung (insbesondere Programmierung) des Korrekturmoduls 5 wird in Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert. Das VTG-Stellglied 1 sowie das RK-Stellglied 2 haben unterschiedliche Streckenverstärkungen. Diese sind beispielhaft schematisch in Fig. 3 dargestellt:
In Fig. 3 ist oben das vergleichsweise langsame Übertragungsverhalten des ersten Stellgliedes 1 und unten das vergleichsweise schnelle Übertragungsverhalten des zweiten Stellgliedes 2 anhand der Abhängigkeit der jeweils freigegebenen Fläche A in Abhängigkeit von der jeweiligen Verstell-Position r_T und r_B (zwischen 0% und 100%) des ersten Stellgliedes 1 und des zweiten Stellgliedes 2 dargestellt.
Anhand von Fig. 3 werden die zu verschleifenden Reglerparameter sowie die Korrektur des I-Anteils betrachtet.
Das Verschleifen der Reglerparameter findet in einem definierten Übergangsbereich B statt, die Korrektur des I-Anteils erfolgt zu einem Initialisierungszeitpunkt tO, wenn die Regelung vom ersten Stellglied 1 nach Erreichen von r_t=O% (also bei vollständig geöffneter VTG) an das zweite Stellglied 2 übergeben wird. Für einen zu verändernden Flächenanteil AA von hier beispielsweise 1 ,3 cm2 ist mit dem ersten Stellglied 1 eine Positionsveränderung Ar_T von 40% und mit dem zweiten Stellglied 2 nur eine Positionsveränderung Ar_B von 8,2% erforderlich. Dieser Unterschied in der Streckenverstärkung (Verstärkungsfaktoren durch AA/Ar_T bzw. AA/Ar_B) wird durch die Verhältnisbildung der Verstärkungsfaktoren k_T und k_B dargestellt und als Korrekturwert für den I-Anteil i_T des ersten Stellgliedes 1 an den I-Anteil i_B des zweiten Stellgliedes 2 definiert. Somit ergibt sich im Korrekturmodul 5 die Regel für den verschliffenen I-Anteil zur Regelung des zuzuschaltenden zweiten Stellgliedes 2: i_B = i_T*k_T/k_B
Fig. 4 zeigt ein Zeitdiagramm zur Darstellung des Übergangsbereichs.
Abschließendes Rechenbeispiel für einen I-Anteilsübertrag bei einer Reglerübergabe auf eine „Zweitstellerregelung“:
Es wird ein I-Anteil für das erste Stellglied 1 von beispielsweise i_T=10% angenommen. Daraus folgt in Zusammenhang mit den in Fig. 3 angenommenen Zahlen: i_B (Initialwert) = i_T*k_T/k_B = 2,03% als Zuweisung des Fehlers auf der HD-Stufe.
Die Erfindung ist analog beispielsweise ebenso auf die Druckregelung in der ND-Stufe anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Kompensationsregler für eine elektronische Steuereinheit (4) zur Ladedruckregelung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor (D) mit mindestens zwei Stellgliedern (VGT, RK; 1 , 2), die sich in ihren Streckenverstärkungen (k_T, k_B) unterscheiden, mit einem Korrekturmodul (5) das derart ausgestaltet ist, dass einerseits mindestens ein Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich (B) verschliffen wird und zweitens der integrative Anteil, wenn die Regelung vom ersten Stellglied (1) mit der ersten Streckenverstärkung (k_T) an das zweite Stellglied (2) mit der zweiten, sich von der ersten unterscheidenden Streckenverstärkung (k_B) übergeht, mit einem dem Verhältnis oder der Differenz der Streckverstärkungen entsprechenden Korrekturwert übergeben wird.
2. Kompensationsregler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleifen der Reglerparameter in einem definierten Übergangsbereich (B) stattfindet und dass die Korrektur des integrativen Anteils zu einem Initialisierungszeitpunkt (tO) erfolgt, wenn die Regelung vom ersten Stellglied (1) bei vollständig geöffnetem ersten Stellglied (1 , VTG) an das zweite Stellglied (2) übergeben wird.
3. Kompensationsregler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert durch das Verhältnis eines der Streckenverstärkung des ersten Stellgliedes (1) proportionalen Wertes (k_T) zu einem der Streckenverstärkung des zweiten Stellgliedes (2) proportionalen Wertes (k_B) gebildet wird.
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