-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.
-
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
DE 196 20 039 bekannt. Bei dem dort beschriebenen System dient ein erster Steller zur Beeinflussung des der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmassenstroms und ein zweiter Steller zur Beeinflussung des Abgasrückführmassenstroms. Als erster Steller wird vorzugsweise eine Regelklappe verwendet, die in der Ansaugleitung nach dem Verdichter angeordnet ist. Als zweiter Steller dient vorzugsweise ein Abgasrückführventil, das in der Abgasrückführleitung angeordnet ist.
-
Die
DE 102 56 241 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (100) mit einer Abgasrückführung zur verbesserten Reduktion der Abgasemission einschließlich der Partikelrohemission sowie der Emission weiterer Bestandteile des Abgases insbesondere, dass die Menge rückgeführten Abgases in Abhängigkeit von der vor und/oder nach einer Abgasenergierückführvorrichtung (140) erfassten Abgasrohemission und/oder von weiteren Abgasbestandteilen geregelt wird (320).
-
Die
DE 102 43 268 A1 beschreibt ein Verfahren zum Regeln der Aufladung einer Brennkraftmaschine, das ohne Adaptionsoffset auskommt. Dabei wird aus der Regelabweichung zwischen einem Sollwert einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine und einem Istwert dieser Betriebskenngröße eine Stellgröße erzeugt, die mindestens einen von einem Integralregler gelieferten Anteil aufweist. Für den Integral-Anteil wird ein Grenzwert vorgegeben, der aus mehreren Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Der Grenzwert wird adaptiert, indem eine erste der zur Ermittlung des Grenzwertes verwendeten Betriebskenngrößen adaptiv in Abhängigkeit von einer zweiten Betriebskenngröße bestimmt wird.
-
Die
DE 199 20 498 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. Ein Steller dient zur Beeinflussung der Menge an rückgeführtem Abgas. Ausgehend von einer Istgröße, die die Menge an rückgeführtem Abgas kennzeichnet, und einer Sollgröße gibt ein Regler eine Stellgröße zur Ansteuerung des Stellers vor. Es wird ein erster Meßwert in einer ersten Position (geöffnet) des Stellers und ein zweiter Meßwert in einer zweiten Position (geschlossen) des Stellers erfaßt, wobei ausgehend von der Differenz der beiden Meßwerte die Istgröße oder ein Korrekturwert vorgebbar ist.
-
In bestimmten Betriebszuständen ist eine genaue Einstellung sowohl des Frischluftmassenstroms als auch des Anteils des rückgeführten Abgases erforderlich. Hierzu müssen sowohl das Abgasrückführventil als auch die Regelklappe geregelt betrieben werden. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise bei der Regeneration eines Abgasnachbehandlungssystems vor, beispielsweise bei der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators.
-
Üblicherweise erfolgt eine Regelung des Saugrohrdrucks, das heißt des Drucks vor dem Einlass in die Brennkraftmaschine. Die Regelung des Saugrohrdrucks über das Abgasrückführventil basiert auf der Annahme, dass der Saugrohrdruck unabhängig von der Stellung der Regelklappe immer steigt, wenn das Abgasrückführventil weiter geöffnet wird. Dies gilt aber nur, wenn die Regelklappe so weit angestellt ist, dass sich ein deutliches Druckgefälle über die Regelklappe einstellt. Ab einem bestimmten Öffnungswinkel der Regelklappe kann sich dieser Effekt jedoch umkehren. Wird in diesem Fall das Abgasrückführventil geöffnet, fließt mehr Abgas über die Abgasrückführleitung und damit weniger Massenstrom über die Turbine. Aus diesem Grund fördert der Verdichter weniger und der Druck nach Verdichter wird kleiner. Dies wiederum bewirkt, dass auch der Saugrohrdruck sinkt. Zusammengefasst bedeutet dies, dass sich der Regelsinn der Saugrohrdruckregelung mittels des Abgasrückführventils abhängig vom Öffnungswinkel der Regelklappe ändern kann. Dieses Verhalten kann der Regler nicht kompensieren und damit auch den Sollwert nicht einregeln.
-
Dadurch, dass ein erster Steller, der den der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmassenstroms beeinflusst, und ein zweiter Steller, der den Abgasrückführmassenstrom beeinflusst vorgesehen sind, wobei ausgehend von einem Vergleich zwischen einem ersten Sollwert und einem ersten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine erste Stellgröße für den ersten Steller und dass ausgehend von einem Vergleich zwischen einem zweiten Sollwert und einem zweiten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine zweite Stellgröße für den zweiten Steller vorgebbar ist, kann die Regelung deutlich verbessert werden. Durch diese Anordnung kann vermieden werden, dass sich eine Umkehrung des Regelsinnes einstellt. D. h. unabhängig von der Position der Regelklappe weist das Abgasrückführventil den gleichen Regelsinn auf. Ferner ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung der Applikation, da bisher die Abgasrückführrate über den Umweg Saugrohrdruck appliziert werden musste. Nun kann die Abgasrückführrate direkt als Sollwert vorgegeben werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein erster Steller, der den der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmassenstrom beeinflusst, und ein zweiter Steller, der den Abgasrückführmassenstrom beeinflusst vorgesehen sind, wobei ausgehend von einem Vergleich zwischen einem ersten Sollwert und einem ersten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine erste Stellgröße für den ersten Steller und dass ausgehend von einem Vergleich zwischen einem zweiten Sollwert und einem zweiten Istwert für den Frischluftmassenstrom eine zweite Stellgröße für den zweiten Steller vorgebbar ist, und dass wenigstens einer Stellgröße ein modellbasierter Vorsteuerwert überlagert wird. Das heißt, dass jeweils ein Regler für die Frischluftmassenstrom und ein Regler für den Abgasrückführmassenstrom vorgesehen sind und wenigstens einem der Regler zusätzlich eine Vorsteuerung zugeordnet ist.
-
Dadurch, dass der Vorsteuerwert mittels eines Modells vorgebbar ist, kann der Vorsteuerwert sehr genau vorgegeben werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Modell wenigstens ein erstes Teilmodell für eine Mischstelle und/oder ein zweites Teilmodell für den Steller beinhaltet. Als Mischstelle wird der Raum zwischen dem Einlass der Brennkraftmasche und den beiden Stellern bezeichnet. Bei den Stellern handelt es sich vorzugsweise um die Regelklappe und das Abgasrückführventil. Durch die Aufteilung des Modells wird die Adaption des Modells deutlich vereinfacht.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Teilmodell für die Mischsteller die Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine, die Temperatur T21 vor dem Steller, die Drehzahl N, die Sollwerte für Frischluftmassenstrom und Abgasrückführmassenstroms verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf die Vorsteuerwerte aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.
-
Vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell zur Vorgabe der Stellgröße für den Frischluftmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens einen Druck P22 im Saugrohr und den Sollwert für Frischluftmassenstroms verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell (235) zur Vorgabe der Stellgröße für den Frischluftmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens Temperatur T21 und/oder einen Druck P21 vor dem Steller und nach dem Verdichter und/oder einen Sollluftmassmassenstrom MA verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zweite Teilmodell 335 zur Vorgabe der Stellgröße für den Abgasrückführmassenstrom als Eingangsgrößen wenigstens eine Temperatur T3 und/oder einen Druck P3 des Abgases nach Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine und/oder einen Sollabgasmassenstrom MR verarbeitet. Diese Größen wirken sich wesentlich auf den Vorsteuerwert aus. Zur Steigerung der Genauigkeit können noch weitere Größen berücksichtigt werden.
-
Dadurch dass der Sollwert an das zeitliche Verhalten des Regelkreises angepasst wird, kann das Verhalten des Reglers und der Vorsteuerung deutlich verbessert werden.
-
Dadurch dass der Istwert mittels eines zweiten Modells vorgebbar ist, können kostenintensive Sensoren zur Ermittlung des Istwerts eingespart werden.
-
Dadurch, dass der Regler in bestimmten Betriebszuständen abschaltbar ist verbessert sich das Verhalten des Systems deutlich.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt
- 1 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine und
- 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.
-
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel einer Regelklappe und eines Abgasrückführventils beschrieben. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise auf alle Steller anwendbar, mit denen der Frischluftmassenstrom bzw. der Abgasrückführmassenstrom beeinflusst werden kann. Anstelle des Frischluftmassenstroms bzw. des Abgasrückführmassenstroms können auch andere Größen, die diesen Größen entsprechen, geregelt und/oder gesteuert werden. D. h. bei den Sollwerten bzw. den Istwerten handelt es sich um Größen, die den Frischluftmassenstrom bzw. den Abgasrückführmassenstrom charakterisieren. Bei den Stellgrößen handelt es sich um geeignete Größen zur Ansteuerung der entsprechenden Steller.
-
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am Beispiel einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung bei Dieselbrennkraftmaschinen beschränkt, sie kann auch bei anderen Brennkraftmaschinen, insbesondere bei direkteinspritzenden Benzinbrennkraftmaschinen verwendet werden.
-
Einer Brennkraftmaschine 100 wird über eine Hochdruckfrischluftleitung 102 eine bestimmte Gasmenge ML22, die einen bestimmten Sauerstoffanteil MO22 enthält, zugeführt. Die Größe MO22 wird auch als Sauerstoffanteil vor der Verbrennung bezeichnet. Die Hochdruckfrischluftleitung 102 besteht aus zwei Teilen. Ein erster Teil ist mit 102a bezeichnet, ein zweiter ist mit 102b bezeichnet. Der erste Teil entspricht der Leitung bis zur Abgaszumischung. Der zweite Teil 102b entspricht der Leitung nach der Abgaszumischung. In dem ersten Teil 102a ist eine Regelklappe 104 angeordnet. Die Luft in dem ersten Teil der Hochdruckfrischluftleitung 102a besitzt eine Temperatur T2 und einen Druck P2. Durch diesen Teil der Hochdruckfrischluftleitung bzw. durch die Regelklappe strömt der Frischluftmassenstrom MA.
-
Über eine Niederdruckfrischluftleitung 108 gelangt die Umgebungsluft zu einem Verdichter 106 und strömt dann über die Regelklappe 104 in die Hochdruckfrischluftleitung 102. Über den Verdichter strömt die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21 in die Hochdruckfrischluftleitung 102. Die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21, die durch die Niederdruckfrischluftleitung 108 strömt, entspricht im statischen Zustand der Luftmenge mit dem entsprechenden Sauerstoffanteil, die durch den Verdichter 106 bzw. durch die Regelklappe 104 strömt. Zwischen dem Verdichter 106 und der Regelklappe herrscht der Druck P21 und die Temperatur T21.
-
Die Temperatur T1 und der Druck P1, der in der Niederdruckfrischluftleitung 108 herrscht, entspricht den Umgebungsbedingungen, d.h. dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur.
-
Von der Brennkraftmaschine 100 strömt die Luftmenge ML31 mit dem Sauerstoffanteil MO31 in eine Hochdruckabgasleitung 110. Die Größe MO31 wird auch als Sauerstoffanteil nach der Verbrennung bezeichnet. In der Hochdruckabgasleitung 110 herrscht die Temperatur T3 und der Druck P3. Diese Werte werden auch als Abgasdruck P3 und Abgastemperatur T3 bezeichnet.
-
Eine Luftmenge ML32 gelangt von der Hochdruckabgasleitung 110 zu einer Turbine 112, diese wird auch als Luftmenge über die Turbine bezeichnet. Von der Turbine 112 gelangt das Abgas in eine Niederdruckabgasleitung 114, die auch als Auspuffleitung 114 bezeichnet wird. In der Niederdruckabgasleitung herrscht Temperatur T4 und der Druck P4.
-
Die Turbine 112 treibt über eine Welle 111 den Verdichter 106 an. Die Drehzahl NL der Welle wird als Laderdrehzahl bezeichnet. Mittels eines Laderstellers 113 kann die Charakteristik der Turbine und damit des gesamten Laders beeinflußt werden. Zur Ansteuerung wird der Ladersteller 113 mit einem Ansteuersignal LTV beaufschlagt, das eine Verstellung des Laders um einen Hub LH zur Folge hat. Die Größe LH wird auch als Laderhub und die Größe LTV als Ladertastverhältnis bezeichnet.
-
Zwischen der Hochdruckabgasleitung 110 und der Hochdruckfrischluftleitung 102 besteht eine Verbindung, die als Abgasrückführleitung 116 bezeichnet ist. Durch diese Abgasrückführleitung 116 strömt die Luftmenge MR, die den Sauerstoffanteil MOA beinhaltet. Der Querschnitt der Abgasrückführleitung 116 ist vorzugsweise mittels eines Abgasrückführventils 118 steuerbar. Zur Ansteuerung wird der Abgasrückführsteller 119 einem Ansteuersignal ATV beaufschlagt, das eine Verstellung des Abgasrückführventils 118 um einen Hub AH zur Folge hat. Die Größe AH wird auch als Abgasrückführhub und die Größe ATV als Abgasrückführtastverhältnis bezeichnet.
-
Vorzugsweise wird die Drehzahl N an der Kurbel- und/oder der Nockenwelle der Brennkraftmaschine mittels eines Drehzahlsensors 101 erfasst. Des weiteren sind Mengenstellglieder 103 vorgesehen, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bestimmen. Hierzu werden die Stellglieder 103 mit einem Mengensignal ME beaufschlagt.
-
In
2 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand eines Blockdiagramms dargestellt. Eine Istwertermittlung
200 ermittelt ausgehend von verschiedenen nicht dargestellten Eingangsgrößen einen Istwert für den Frischluftmassenstrom. Bei einer einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Istwertermittlung
200 als Sensor ausgebildet ist, der den Frischluftmassenstrom unmittelbar erfasst. Bei einer verbesserten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Istwertermittlung eine Modellberechnung verwendet wird, die beispielsweise in der
DE 199 63 358 beschrieben ist. Dort entspricht der Frischluftmassenstrom der Größe
ML21.
-
Das Ausgangssignal der Istwertermittlung 200 gelangt über einen Verknüpfungspunkt 205 zu einem Regler 220. Mit dem Ausgangssignal des Reglers 220 wird ein Verknüpfungspunkt 225 beaufschlagt, der wiederum die Regelklappe 104 mit einer Stellgröße beaufschlagt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 205 liegt mit negativen Vorzeichen das Ausgangssignal eines Sollwertfilters 210, dem wiederum als Eingang das Ausgangssignal einer Sollwertvorgabe 215 zugeführt wird. Die Sollwertvorgabe 215 gibt den gewünschten Sollwert für den Frischluftmassenstrom MA abhängig von verschiedenen Betriebskenngrößen und verschiedenen Betriebszuständen vor. Das Ausgangssignal des Sollwertfilters 210 gelangt ferner zu einem Modell 230 der Mischstelle. Das Modell 230 verarbeitet ferner das Ausgangssignal verschiedener Sensoren 232, die Signale bezüglich der Temperatur T3 zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Eingang der Turbine, der Temperatur T21 zwischen dem Auslass des Verdichters und der Regelklappe und der Drehzahl N erfassen. Neben diesen Sensoren können noch weitere Sensorsignale erfasst und von dem Modell 230 ausgewertet werden.
-
Mit dem Ausgangssignal des Modells 230 wird ein inverses Modell 235 der Regelklappe beaufschlagt. Das Modell 230 liefert Signale bezüglich des Frischluftmassenstroms MA und des Druckes P22, der dem Druck vor dem Einlass der Brennkraftmaschine entspricht, an das inverse Modell 235. Ferner werden dem inversen Modell 235 die Signale verschiedener Sensoren 240, die den Druck P21 und die Temperatur T21 zwischen dem Auslass des Verdichters und der Regelklappe 104 charakterisieren, zugeführt. Anstelle der Sensoren 240 kann auch ein Modell vorgesehen sein, das diese Größen ausgehend von anderen Größen ermittelt. Über eine Kennlinie 245 gelangt das Ausgangssignal des inversen Modells 235 zum Verknüpfungspunkt 225. Das Modell 230, in Verbindung mit dem inversen Modell 235 und der Kennlinie 245 wirken als Vorsteuerung für die Stellgröße der Regelklappe 104.
-
Ein paralleler Zweig für die Regelung des Abgasrückführmassenstroms MR ist mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Dem Abgasrückführventil 118 wird das Ausgangssignal eines Verknüpfungspunktes 325 zugeleitet, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal eines Reglers 320 ansteht. Dem Regler 320 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 305 zugeleitet, der wiederum als Eingangsgröße das Ausgangssignal einer Istwertermittlung 300 zugeführt wird. Die Istwertermittlung 300 ist ähnlich gestaltet wie die Istwertermittlung 200, d. h. sie kann als Sensor oder als Modell ausgebildet sein. Die Sollwertvorgabe 315 gibt einen Sollwert für den Abgasrückführmassenstrom vor, der über einen Sollwertfilter 310 ebenfalls zu dem Verknüpfungspunkt 305 bzw. zu dem Modell 230 gelangt. Anstelle des Abgasrückführmassenstroms kann auch die Abgasrückführrate als Sollwert vorgegeben werden. Das Modell 230 beaufschlagt ein zweites inverses Modell 335 mit einem Signal das den Abgasrückführmassenstrom MR und den Druck P22 vor dem Einlass der Brennkraftmaschine charakterisiert. Ferner verarbeitet das inverse Modell 335 Signale von Sensoren 340, insbesondere des Druckes P3 und der Temperatur T3 zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und Eingang der Turbine. Anstelle der Sensoren 340 kann auch ein Modell vorgesehen sein, das diese Größen ausgehend von anderen Größen ermittelt. Über eine zweite Kennlinie 345 gelangt das Ausgangssignal des zweiten inversen Modells 335 zu dem Verknüpfungspunkt 325
-
Der Regler
220 regelt den Frischluftmassenstrom
MA auf den von der Sollwertvorgabe
215 vorgegebenen Sollwert ein. Dazu wird der Istwert, der von der Istwertermittlung
200 bereitgestellt wird, mit dem gefilterten Sollwert verglichen. Ausgehend von der Abweichung des Sollwerts vom Istwert wird dann die Stellgröße zur Beaufschlagung der Regelklappe
104 vom Regler
220 vorgegeben. Die Istwertermittlung
200 kann dabei als Sensor, der den Frischluftmassenstrom unmittelbar ermittelt, oder als Modell, wie es beispielsweise aus der
DE 199 63 358 bekannt ist, ausgebildet sein.
-
Dieser Regelung ist eine Vorsteuerung überlagert. Die Vorsteuerung beinhaltet im Wesentlichen ein Modell, das ausgehend von dem Sollwert für die Frischluftmasse eine Stellgröße für die Regelklappe 104 vorgibt. Das Modell beinhaltet wenigstens zwei Teilmodelle. Ein Teilmodell 230 bildet die Mischstelle nach, d. h. den Bereich zwischen dem Abgasrückführventil, der Regelklappe 104 und dem Einlass der Brennkraftmaschine. Ein weiteres Teilmodell 235 beinhaltet ein inverses Modell der Regelklappe 104. Mittels der Kennlinie 245 wird dieses Ausgangssignal des Modells, das der gewünschten effektiven durchströmten Fläche der Regelklappe entspricht, in eine Stellgröße für die Regelklappe 104 umgesetzt.
-
Dies bedeutet, die Vorsteuerung berechnet ausgehend von dem Sollwert für die Frischluftmasse MA und verschiedenen Betriebskenngrößen, insbesondere Temperatur und Druckgrößen, eine gewünschte effektiv durchströmte Fläche der Regelklappe und damit einen Vorsteuerwert. Die Regelung berechnet ausgehend von der Abweichung des Sollwerts vom Istwerts der Frischluftmasse ebenfalls eine Stellgröße für die Regelklappe. Diese beiden Größen werden im Verknüpfungspunkt vorzugsweise additiv zur Bildung der Stellgröße überlagert.
-
Ein entsprechender Regelkreis mit einer Vorsteuerung ist auch für den Abgasrückführmassenstrom MR vorgesehen. Hier gibt die Sollwertvorgabe 315 einen entsprechenden Sollwert vor, der in dem Filter 310 gefiltert und im Verknüpfungspunkt 305 mit dem Istwert der Istwertermittlung 300 verglichen wird. Als Istwertermittlung 300 wird vorzugsweise ebenfalls ein Sensor verwendet, der den Abgasrückführmassenstrom unmittelbar erfasst. Da solche Sensoren in der Regel sehr teuer und aufwändig sind und kostengünstig nicht zur Verfügung stehen, wird hier ebenfalls in einer bevorzugten Ausführungsform ein Modell, das dem Modell der Istwertermittlung entspricht, verwendet, das diese Größen ausgehend von weiteren Betriebskenngrößen ermittelt. Abhängig von der Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert berechnet der Regler 320 die Stellgröße zur Ansteuerung des Abgasrückführventils 118.
-
Ferner ist eine Vorsteuerung vorgesehen, die ausgehend von dem Sollwert ebenfalls mittels eines Modells einen Vorsteuerwert vorgibt. Das Modell beinhaltet das erste Teilmodell, das die Mischstelle modelliert, und einem inversen Modell des Abgasrückführventils. An das Modell schließt sich eine Kennlinie an.
-
Dies bedeutet, ausgehend von einem Vergleich zwischen einem ersten Sollwert, der den Frischluftmassenstrom charakterisiert und einem ersten Istwert, wird eine Stellgröße für den ersten Steller, der vorzugsweise als Regelklappe ausgebildet ist, vorgegeben. Ferner wird ausgehend von dem Vergleich zwischen einem zweiten Sollwert, der den Abgasrückführmassenstrom charakterisiert und einem zweiten Istwert eine Stellgröße für den zweiten Steller, der vorzugsweise als Abgasrückführventil ausgebildet ist, vorgegeben.
-
D. h. es ist eine parallele Struktur vorgesehen, bei der jeweils ein Sollwert für den Frischluftmassenstrom bzw. ein Sollwert für den Abgasrückführmassenstrom auf den vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der Stellgröße, die von der Regelung ermittelt wird, ein Vorsteuerwert überlagert wird. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass zur Bildung des Vorsteuerwerts der Sollwert verwendet wird, der auch dem Regelkreis zugeführt wird. Zur Bildung der Vorsteuerwerte wird ein Modell verwendet, das wenigstens ein erstes oder ein zweites Teilmodell beinhaltet, die die Mischstelle modellieren bzw. ein inverses Modell des Stellers darstellen. Entsprechend ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Istwertermittlung ebenfalls als Modell ausgebildet ist, die den Istwert ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen ermittelt.
-
Bevorzugt wird als Sollwert der Abgasrückführmassenstrom, d. h. der Massenstrom, der über das Abgasrückführventil fließt, als Sollwert vorgegeben und der Istwert auf diesen vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Alternativ kann als Sollwert auch die Abgasrückführrate vorgegeben und auf den Sollwert eingeregelt werden.
-
Vorteilhaft ist, dass für den Frischluftmassenstrom und für den Abgasrückführmassenstrom jeweils ein Regelkreis vorgesehen ist, wobei dieser Regelkreis zum Einen einen Regler und zum Anderen eine Vorsteuerung beinhaltet. D. h. die beiden Größen werden unabhängig voneinander jeweils auf einen Sollwert eingeregelt.
-
Erfindungsgemäß ist die Vorsteuerung derart ausgebildet, dass sie die zeitlichen Verläufe der Stellgröße für die Regelklappe und das Abgasrückführventil so vorgeben, dass das System allein durch diese Vorsteuerung in der Lage ist, den Sollwertänderungen zu folgen. D. h. im Extremfall kann auf den Regler 220 und 320 völlig verzichtet werden bzw. er kann in bestimmten Betriebszuständen abgeschaltet werden. Wesentlich zum Erfolg der Vorsteuerung trägt das Modell, mit dem der Sollwert in die Stellgröße umgesetzt wird, bei. Das Modell umfasst ein Modell für die Mischstelle von Frischluft und Abgasrückführung, was als Behälter mit dem Volumen V22 und dem Druck P22 betrachtet wird. Ferner sind Teilmodelle vorgesehen, die das Abgasrückführventil und die Regelklappe als Drosseln abbilden. Als wesentliche Eingangsgröße für diese Modelle sind der Druck P3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine, der Druck P21 vor der Regelklappe und nach dem Verdichter der Druck P22 im Saugrohr, d. h. zwischen dem Einlass der Brennkraftmaschine und dem Abgasrückführventil bzw. der Regelklappe, der Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine, dem Sollwert für die Abgasrückführrate bzw. den Abgasrückführmassenstrom und im Sollwert für den Luftmassenstrom.
-
Die Größen
P3,
P21,
P22,
T21 und
T3 können sowohl mit Sensoren unmittelbar gemessen oder mittels eines Modells ausgehend von anderen Betriebskenngrößen berechnet werden. Als Modell eignet sich vorzugsweise ein in der
DE 199 63 358 beschriebenes Modell. Als Sollwert
MR und
MA für die Abgasrückführrate und für den Luftmassenstrom, die von dem Modell verwendet werden, dienen vorzugsweise die selben Sollwerte, die auch der Regelung zugeführt werden. Das Modell liefert ausgehend von diesen Eingangsgrößen zeitliche Verläufe für effektiv durchströmte Flächen der Regelklappen und/oder des Abgasrückführventils. Diese werden über Kennlinien
245 bzw.
345 oder aufwändigere dynamische Modelle in Stellgrößen für die Regelklappe und/oder das Abgasrückführventil abgebildet.
-
Die Sollwertvorgabe 215 bzw. 315 gibt den Sollwert für die entsprechende Stellgröße abhängig von verschiedenen Betriebsparametern und Betriebszuständen vor. Bei einer Änderung einer Betriebsgröße bzw. bei einem Umschalten in einen anderen Betriebszustand ergibt sich in der Regel ein unstetiger Verlauf des Sollwertes. Einem solchen unstetigen oder sprungförmigen Verlaufs des Sollwertes kann die entsprechende Größe in der Regel nicht folgen. Dies führt dazu, dass eine Regelabweichung auftritt, die der Regler auszuregeln versucht. Insgesamt führt dies zu einem unerwünschten Verhalten des Reglers. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sollwertfilter 210 bzw. 310 die Sollwertvorgabe derart filtern, dass sich ein stetiger Verlauf des Sollwertes ergibt und dass das Gesamtsystem diesen Vorgaben zu jeder Zeit folgen kann. D. h. das zeitliche Verhalten des Sollwertes wird durch den Sollwertfilter an das zeitliche Verhalten des Gesamtsystems bzw. an das zeitliche Verhalten der Stellgröße angepasst. D. h. der Sollwertfilter 210 bzw. 310 erzeugt einen dynamisch verschliffenen Verlauf des Sollwerts. Ferner stellt der Filter die zeitliche Ableitung dieser Größe bereit.
-
Das Modell 230 berechnet aus verschiedenen Eingangsgrößen den gewünschten Frischluftmassenstrom sowie den Druck P22 im Saugrohr. Als Eingangsgrößen verwendet das Modell 230 die Temperatur T3, die Temperatur T21 vor der Regelklappe, den dynamisch verschliffenen Sollluftmassenstrom, die zeitliche Ableitung des dynamisch verschliffenen Sollluftmassenstroms, die dynamisch verschliffene Abgasrückführrate, die zeitliche Ableitung der dynamisch verschliffenen Abgasrückführrate sowie die Motordrehzahl. Ausgehend von diesen Größen berechnet das Modell 230 den Sollluftmassenstrom ML über die Regelklappe 104, den Sollabgasmassenstrom über das Abgasrückführventil und den Solldruck P22 im Mischbehälter.
-
Die inversen Modelle 235 und 335 berechnen aus dem gewünschten Sollmassenstrom , der über die Drossel strömen soll, die effektiv durchströmte Fläche der jeweiligen Drossel. Dazu wird der Druck und/oder die Temperatur vor der Drossel sowie der Druck und/oder die Temperatur nach der Drossel verwendet. Die Eingangsgrößen für das Modell 245 der Regelklappe sind der Druck P21 vor der Regelklappe und nach dem Verdichter, der Druck P22im Saugrohr und die Temperatur T21 vor der Regelklappe. Die Eingangsgrößen des Modells 335 des Abgasrückführventils 118 sind der Druck P3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und vor der Turbine, der Druck P22 im Saugrohr, die Temperatur T3 nach dem Auslass der Brennkraftmaschine und der Sollabgasmassenstrom MR, der durch das Abgasrückführventil 118 strömen soll.
-
Die Sollwerte für die effektiv durchströmten Flächen für die Regelklappe und das Abgasrückführventil werden über die Kennlinien 245 und 345 in Stellgrößen für die Regelklappe und das Abgasrückführventil umgerechnet. Anstelle der Kennlinie können hierzu auch aufwändigere dynamische Modelle verwendet werden.
-
Durch die Vorsteuerung ergibt sich der Vorteil, dass sehr schnell auf Änderungen des Sollwerts reagiert werden kann, d. h. es ergibt sich ein sehr schnelles Führungsverhalten. Dabei ist die Systemdynamik hierbei bereits berücksichtigt. Das bedeutet, durch die Vorsteuerung kann sowohl die Abgasrückführrate bzw. Abgasrückführmassenstrom und der Luftmassenstrom sehr schnell an sich ändernde Bedingungen angepasst werden. Dies ist insbesondere bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebszuständen wie beispielsweise in den Regenerationsbetrieb oder aus dem Regenerationsbetrieb heraus vorteilhaft. Da die beiden Regelkreise unabhängig voneinander sind und bei einem System ohne Regelung gar keine Rückkoppelung vorhanden ist, treten bei dieser Struktur keine Stabilitätsprobleme auf. Wird zusätzlich ein Regler verwendet, muss dieser nur Störeinflüsse und Modellungenauigkeiten ausregeln, da das Führungsverhalten von der Vorsteuerung gewährleistet wird. Die Kopplung der beiden Steller ist über das Modell der Mischstelle 230 abgebildet. D. h. die Regler sind entkoppelt, wodurch die Applikation deutlich vereinfacht wird.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in bestimmten Betriebszuständen lediglich die Vorsteuerung aktiv ist und auf die Regelung verzichtet wird, d. h. dass die Regelung abgeschaltet wird. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass bei Vorliegen bestimmter Betriebszustände die Verbindung zwischen Regler 220 und dem Verknüpfungspunkt 225 bzw. zwischen dem Regler 320 und dem Verknüpfungspunkt 325 mittels eines Schaltmittels unterbrochen wird. Ein solcher Betriebszustand liegt beispielsweise vor, wenn eine kleine Regelabweichung eine große Stellgrößenänderung zur Folge hat. Bei solchen Betriebszuständen liegt eine geringe Sensitivität zwischen Stellgröße und einzuregelnder Größe vor. In diesen Betriebszuständen wird dann auf die Regelung verzichtet und nur die Vorsteuerwerte zur Ansteuerung des Stellers verwendet. Dadurch wird der Steller geschont und Störeinflüsse vermieden. Dies kann auch in Hinsicht auf Toleranzen vorteilhaft sein.
-
Am Beispiel der Regelung der Luftmasse mittels einer Regelklappe im Regenerationsbetrieb bedeutet dies Folgendes: Der Einfluss der Regelklappenposition im weit geöffneten Bereich der Regelklappe auf die Luftmasse ist praktisch nicht sichtbar. Würde mit Hilfe einer Regelung versucht, einen Sollwert in diesem nicht sensitiven Bereich einzuregeln, so würde der Regler bedingt durch das Messrauschen große Ausschläge in der Stellgröße verursachen, die die Regelklappe unnötig belasten könnten. Bei der Verwendung einer modellbasierten Vorsteuerung wird in solchen nicht sensitiven Bereichen die Regelung abgeschaltet. Die Vorsteuerung liefert im Bereich geringer Sensitivität einen wesentlich ruhigeren Stellgrößenverlauf als ein Regler. Damit wird die Mechanik des Reglers geschont und Störeinflüsse auf das Luftsystem vermieden.
-
Üblicherweise wird als Regler 220 bzw. 320 ein Regler verwendet, der insbesondere PI-Verhalten aufweist. Der I-Anteil baut sich im Wesentlichen proportional zur vorzeichenbehafteten Fläche zwischen Soll- und Istwert auf. Wird für die Stellgröße ein sprunghafter Verlauf vorgegeben, so ergibt sich bedingt durch die Strecken- und Stellerdynamik eine zeitlich verzögerte Änderung des einzuregelnden Istwertes. Aus diesem Grund führen sprunghafte Sollwertverläufe zu einem nicht physikalisch bedingten Aufbau des I-Anteils. Um diesen wieder abzubauen, muss der Regler in die entsprechende andere Richtung bezüglich des Sollwerts Unter- bzw. Überschwingen. Dieses Verhalten führt zu schlechtem Einregelverhalten und kann nur durch entsprechende Werte für die Regelparameter gemildert werden. Bei entsprechenden Regelparametern ergibt sich jedoch wiederum ein schlechtes Führungsverhalten.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch die Sollwertfilter 210 und 310 dieser Effekt deutlich vermindert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels der Sollwertfilter 210 bzw. 310 der Verlauf des Sollwertes an die Regelstrecken- und/oder Stellerdynamik angepasst wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Sollwert derart gefiltert wird, dass er das selbe oder zumindestens ein ähnliches Zeitliches Verhalten wie der Steller und/oder die gesamte Regelstrecke aufweist. Besitzt des Steller beispielsweise PT1 Verhalten, so wird ein Filter mit PT1 verhalten verwendet. Dadurch verringert sich die für den Aufbau des I-Anteils maßgebliche Fläche deutlich. Nun kann der Regler mit einem größeren KI ausgelegt werden, da der unerwünschter Aufbau des I-Anteils vermieden wird.
-
Erfindungsgemäß wird der Sollwertfilter 210 und 310 derart ausgestaltet, dass eine dynamische Anpassung der Sollwerte an das Streckenverhalten erfolgt. Aus diesem angepassten Verlauf der Sollwerte wird eine effektiv durchströmte Sollfläche berechnet. Diese Größe wird sowohl zur Berechnung der Vorsteuerwerte durch das Modell 230 und die Modelle 235 und 335 verwendet als auch als Sollgröße für die Regelung 210 bzw. 320. Die Berechnung der Regelabweichung wird die nicht modellierte Restdynamik, z. B. Stellerdynamik dieser Stellgröße über ein Totzeit- und ein PT1-Glied abgebildet. Durch diese Maßnahme muss der Regler 220 bzw. 320 nur noch Modellungenauigkeiten und Störeinflüsse ausregeln und kann so entsprechend auf Schnelligkeit ausgelegt werden.
-
Treten bei einem Regler, der zumindestens ein Integrales Verhalten aufweist, große Regelabweichungen auf, so führt dies, bei Regelparametern, die für ein gutes dynamisches Verhalten notwendig sind, zu großen Werten des Integralanteils. Diese großen Werte bewirken Überschwinger oder Unterschwinger. Dieses Verhalten wird nicht gewünscht. Werden entsprechende Werte für die Regelparamter gewählt, bei denen keine Überschwinger oder Unterschwinger auftreten, so führt dies zu einem schlechten dynamischen Verhalten, das heißt der Istwert erreicht nur langsam den entsprechenden Sollwert.
-
Um dies zu vermeiden ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der Betrag der Regelabweichung, das heißt das am Verknüpfungspunkt 205 und/oder am Verknüpfungspunkt 305 anstehende Signal, mittels eines Begrenzers auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt wird.