DE10034789B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei eine von einem Regler (RG) aus der Abweichung (e) zwischen einer Soll-Große (w) und einer Ist-Große (y) des Luftsystems (LS) abgeleitete Stellgroße (v) für einen Steller (ST) des Luftsystems (LS) so verändert wird, dass zwischen der Stellgroße (v) und der Ist-Große (y) ein linearer Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens einer Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) und der vom Regler (RG) gelieferten Stellgröße (v) eine neue Stellgröße (u) hergeleitet wird, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße (v) aus dem Regler (RG) invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe (y) von der neuen Stellgröße (u).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei eine von einem Regler aus der Abweichung zwischen einer Soll-Große und einer Ist-Große des Luftsystems abgeleitete Stellgroße fur einen Steller des Luftsystems so verandert wird, dass zwischen der Stellgröße und der Ist-Große ein linearer Zusammenhang besteht.
  • Mit dem Luftsystem einer Brennkraftmaschine sind alle diejenigen Einrichtungen gemeint, welche einen Einfluß auf die angesaugte Luftmenge haben. Zu diesen Einrichtungen gehören beispielsweise eine Drosselklappe, ein Turbolader oder eine Abgasrückführung, wobei nur einzelne oder mehrere dieser Vorrichtungen vorhanden sein können. Üblicherweise gehort zu jeder das Luftsystem der Brennkraftmaschine bildenden Vorrichtungen ein Steller, und ein Regler (z. B. P- oder PI- oder PID-Regler) der aus der Abweichung zwischen einer Soll-Größe und einer Ist-Größe eine Stellgröße fur den Steller der Luftsystem-Vorrichtung ableitet. Die Regelstrecke, bestehend aus der Luftsystem-Vorrichtung und dem zugehorigen Steller, zeigt ein nichtlineares Verhalten, d. h. die Abhängigkeit der vom Luftsystem erzeugten Ist-Große von der Stellgröße ist nicht linear. Diese Nichtlinearitat erfordert eine besondere Auslegung des Reglers, die unter Umständen sehr zeitaufwendig sein kann.
  • Die DE 198 12 843 A1 beschreibt das Problem der Nichtlinearitat des Luftsystems am Beispiel der Ladedruckregelung. Als Stellglied für einen Turbolader wird entweder eine Einrichtung zur Veränderung der Turbinen-Geometrie oder ein Bypass-Ventil eingesetzt. Bei all diesen Stellgliedern besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem vom Turbolader erzeugten Ladedruck und der Stellgröße fur das besagte Stellglied. Dieser nichtlineare Zusammenhang wäre zu vernachlässigen, solange der Arbeitspunkt des Ladedruckreglers sich nur in sehr engen Grenzen verschiebt. Sollte sich aber der Arbeitsbereich des Ladedruckreglers nicht nur auf einen sehr schmalen Arbeitsbereich beschranken, sondern ein weiter Arbeitsbereich, d. h ein großer Variationsbereich der Stellgroße, gefordert werden, so wird bei einer großeren Arbeitspunktverlagerung der Regelvorgang einerseits zu langsam und andererseits kommt es zu Überschwingungen bei der Regelung. Gemaß der genannten DE 198 12 843 A1 wird zur Behebung des genannten Problems die Stellgröße für ein Stellglied des Turboladers oder eine oder mehrere die Stellgröße bildende anderen Größen in einem Kennfeld auf solche Werte transformiert, dass nach der Transformation zwischen der Stellgröße und der Regelgröße (Ladedruck) ein zumindest annahernd linearer Zusammenhang besteht. Mit dieser Maßnahme wird eine lineare Regelkennlinie gebildet, durch welche unabhängig von der Lage des Arbeitspunktes eine schnelle und stabile Ladedruckregelung möglich ist. Die im Kennfeld für die Linearisierung abgelegten Transformationswerte für die Stellgröße sind einmal fest vorgegebene Größen, mit denen eventuell aktuell auftretende Einflüsse auf die Regelstrecke nicht kompensiert werden können.
  • Die DE 690 02 270 T2 bezieht sich auf eine Motordrehzahl-Steuereinrichtung für einen mit innerer Verbrennung arbeitenden Motor (Brennkraftmaschine) und insbesondere auf eine Motordrehzahl-Steuereinrichtung zum Steuern der Motordrehzahl einer Brennkraftmaschine, die an einem Industriefahrzeug wie etwa einem Gabelstapler angebracht ist, oder einer Brennkraftmaschine, die als Kraft- bzw. Spannungsquelle wie etwa als Generator eingesetzt wird. Aufgabe der DE 690 02 270 T2 ist es, eine Motordrehzahl-Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die es ermöglicht, die Motor-Ist-Drehzahl vorteilhaft auf eine Motor-Soll-Drehzahl unabhängig vom Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine zu steuern, wodurch die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Motordrehzahl-Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die zum Steuern der Motordrehzahl einer Brennkraftmaschine dient und eine Regeleinrichtung zum Regeln der Motordrehzahl besitzt, wobei eine tatsächliche Stellgröße der Regeleinrichtung und das Drehmoment in nicht-linearer Beziehung stehen, mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Motor-Ist-Drehzahl, einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer virtuellen Stellgröße der Regeleinrichtung unter der Annahme, dass die virtuelle Stellgröße und das Drehmoment in linearer Beziehung derart stehen, dass die Motor-Ist-Drehzahl zur Motor-Soll-Drehzahl wird, einer Umsetzeinrichtung zum Umsetzen der virtuellen Stellgröße in eine tatsächliche Stellgröße unter Einsatz der nicht-linearen Beziehung zwischen der tatsächlichen Stellgröße der Regeleinrichtung und dem Drehmoment, und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Regeleinrichtung auf der Basis der in dieser Weise erhaltenen tatsächlichen Stellgröße.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, womit jegliche während des Motorbetriebs auftretenden Einflüsse kompensiert werden können, welche sich auf ein nichtlineares Verhalten der Regelstrecke (Luftsystem) auswirken.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 dadurch gelöst, dass aus mindestens einer Zustandsgröße des Luftsystems und der vom Regler gelieferten Stellgröße eine neue Stellgröße hergeleitet wird, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße aus dem Regler invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe von der neuen Stellgröße. Der Vorteil dieses Verfahrens bzw. dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Kompensation für die Nichtlinearität der Regelstrecke in Echtzeit unter Berücksichtigung des aktuellen Zustandes der Regelstrecke erfolgt. Die Dynamik des Luftsystems und eventuelle Einflüsse von anderen Systemen können hierbei berücksichtigt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Die mindestens eine Zustandsgröße des Luftsystems, aus der die neue Stellgröße hergeleitet wird, wird vorzugsweise durch eine Modellberechnung ermittelt. Durch die Modellbildung kann auf eine Messung verschiedener Zustandsgrößen verzichtet werden.
  • Als Zustandsgrößen konnen z. B. Ladedruck, Laderdrehzahl, Abgasrückfuhrrate, im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse, Gastemperatur im Ansaugrohr, Stellung der Drosselklappe, Stellung des Abgasrückfuhrventils, Stellung des Bypass-Ventils oder der variablen Turbinen-Geometrie des Turboladers oder ein oder mehrere daraus abgeleitete Größen bei der Linearisierung der Regelstrecke berücksichtigt werden.
  • Zum Zweck der Linearisierung kann eine neue Stellgroße entweder fur die variable Turbinen-Geometrie oder fur ein Bypass-Ventil eines Turboladers oder fur ein Abgasruckfuhrventil oder für einen Drosselklappensteller hergeleitet werden.
  • Um bei der Modellierung der Zustandsgroße eine hohere Genauigkeit zu erzielen, ist es zweckmaßig, dass die Differenz zwischen der durch Modellrechnung ermittelten Zustandsgroße und der entsprechenden durch Messung ermittelten Zustandsgröße gebildet wird und dass dann aus der Differenz ein Korrekturfaktor für die modellierte Zustandsgroße ermittelt wird.
  • Zeichnung
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Luftsystem-Vorrichtungen und
  • 2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises mit Linearisierung für ein Luftsystem.
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • In der 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Ansaugkanal 2 und einem Abgaskanal 3 dargestellt. Im Abgaskanal 3 ist die Turbine 4 und im Ansaugkanal 2 der Verdichter 5 eines Abgasturboladers angeordnet. Desweiteren kann die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückfuhrkanal 6 ausgestattet sein, der den Abgaskanal 3 mit dem Saugrohr 2 verbindet. Im Abgasrückfuhrkanal 6 befindet sich ein steuerbares Abgasruckführventil 7. Im Saugrohr 2 sind ein Drucksensor 8 zur Messung des Ladedrucks pld und ein Luftmassensensor 9 zur Messung der angesaugten Luftmasse lm angeordnet. Außerdem befindet sich im Saugrohr eine Drosselklappe 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine sind also drei die angesaugte Luftmasse beeinflussende Luftsystem-Vorrichtungen vorhanden, nämlich der Turbolader 4, 5, die Abgasruckführung 6, 7 und die Drosselklappe 10.
  • In der 1 sind zwei mögliche Stellglieder fur den Turbolader vorhanden. Ein erstes Stellglied 11 ist ein Ventil in einem die Turbine 4 überbrückenden Bypass 12. Alternativ dazu ist noch ein Steller 13 vorhanden, der auf die Turbinen-Geometrie einwirkt, d. h. eine Verstellung der Turbinenleitschaufeln vornimmt. Der Steller 11, das Bypass-Ventil, erhält eine Stellgröße bpv und der Steller 13, die variable Turbinen-Geometrie, erhält eine Stellgröße vtg. Für das Abgasrückführventil 7 wird eine Stellgröße arf und für die Drosselklappe 10 eine Stellgröße dk bereitgestellt. All die genannten Stellgroßen bpv, vtg, arf und dk werden von einem Steuergerät 14 zur Verfügung gestellt. Dem Steuergerat 14 werden eine Reihe von Zustandsgroßen der Brennkraftmaschine zugefuhrt, von denen beispielhaft der vom Ladedrucksensor 8 gemessene Ladedruck pld und die vom Luftmassensensor 9 gemessene angesaugte Luftmasse lm in der 1 eingezeichnet ist. Als weitere Zustandsgroßen können dem Steuergerät 14 auch noch die Laderdrehzahl, die Abgasrückfuhrrate, die im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse, die Gastemperatur im Ansaugrohr, die Stellung der Drosselklappe, die Stellung des Abgasruckfuhrventils, die Stellung des Bypass-Ventils oder die Stellung der variablen Turbinen-Geometrie des Turboladers oder ein oder mehrere daraus abgeleitete Großen zugeführt werden.
  • Einleitend wurde bereits die Problematik des nichtlinearen Verhaltens der einzelnen Luftsystem-Vorrichtungen – Turbolader 4, 5, Abgasruckführung 6, 7, Drosselklappe 10 – beschrieben. Vom Steuergerät 14 werden solche Stellgrößen bpv, vtg, arf und dk ermittelt, deren Zusammenhang mit der von der jeweiligen Luftsystem-Vorrichtung gelieferten Ist-Große linear ist. Wie diese Linearisierung erfolgt, wird anhand des in der 2 dargestellten Blockdiagramms erlautert.
  • In der 2 ist ein Regelkreis dargestellt, in dem die Regelstrecke aus einem Luftsystem LS einer Brennkraftmaschine und einem zugehorigen Stellglied ST besteht. Wie bereits vorangehend beschrieben, kann das Luftsystem LS aus ein oder mehreren Vorrichtungen, wie z. B. Turbolader 5, 6 oder Abgasrückführung 6, 7 oder Drosselklappe 10, bestehen. Der in der 2 mit dem Bezugszeichen LS versehene Block steht also für eines oder mehrere dieser Luftsystem-Vorrichtungen.
  • Am Ausgang des Luftsystems LS steht eine Ist-Große y, welche den Ist-Zustand des Luftsystems wiedergibt. Dieser Ist-Zustand ist z. B. bei einem Turbolader der vom Sensor 8 meßbare Ladedruck pld. Die Ist-Große y wird im Verknupfungspunkt VK mit einer Soll-Große w verglichen, und die Abweichung e zwischen der Soll-Größe w und der Ist-Größe y gebildet. Die Soll-Große w ist beispielsweise ein Soll-Ladedruck, der aus der Motordrehzahl, der Drosselklappenstellung und dem Fahrerwunsch und eventuell noch anderen Betriebsgrößen des Motors hergeleitet werden kann. Die Regelgrößenabweichung e wird einem Regler RG zugeführt, der beispielsweise ein P- oder PI- oder PID-Regler ist. Am Ausgang dieses Reglers RG erscheint die Stellgröße v.
  • Wegen des nichtlinearen Verhaltens der Regelstrecke, bestehend aus dem Luftsystem LS und dem zugehörigen Steller ST, ist der Zusammenhang zwischen der Ist-Größe y und der Stellgröße v nicht linear. Es ist das Ziel, den Regelkreis so zu erweitern, dass zwischen der Ist-Große y, des Luftsystems LS und der Stellgröße v ein linearer Zusammenhang besteht. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Regler RG und dem Steller ST ein Schaltblock LI eingefugt, welcher zur Linearisierung aus-der Stellgroße v eine neue Stellgröße u ableitet. In dem Linearisierungs-Schaltblock LI wird für die neue Stellgroße u eine Abhängigkeit von der Stellgröße v aus dem Regler RG erzeugt, welche invers zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe y des Luftsystems LS von der neuen Stellgroße u ist. Damit wird das nichtlineare Verhalten der Regelstrecke ST, LS durch die nichtlineare Abhängigkeit der neuen Stellgröße u von der Stellgröße v des Reglers RG kompensiert. Mit anderen Worten, es wird die Stellgröße fur den Steller ST in der Weise vorverzerrt, dass dadurch die nichtlineare Kennlinie der Regelstrecke, bestehend aus den Luftsystemen LS und dem zugehörigen Steller ST, kompensiert wird. Letztendlich hat dann die Reihenschaltung aus dem Liniearisierungs-Schaltblock LI, dem Steller ST und dem Luftsystem LS dasselbe Verhalten wie eine Integratorenkette.
  • Nachfolgend wird erläutert, wie in dem Linearisierungs-Schaltblock LI die neue Stellgroße u aus der Stellgröße v des Reglers RG und einer Zustandsgroße x des Luftsystems ermittelt wird. Die Zustandsgröße x kann z. B. der Ladedruck pld, die Laderdrehzahl, die Abgasruckführrate, die im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse, die Gastemeperatur im Ansaugrohr, die Stellung der Drosselklappe 10, die Stellung des Bypass-Ventils 11 oder der variablen Turbinen-Geometrie 13 des Turboladers 4 oder eine daraus abgeleitete Große sein. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur eine Zustandsgröße x betrachtet. Es können aber auch mehrere der vorangehend genannten Großen sein. Stark vereinfacht laßt sich das Luftsystem mit der Gleichung (1) beschreiben: x = 1 / T(u – x) (1)
  • Diese Gleichung (1) gibt die zeitliche Veranderung der Zustandsgröße x wieder. Sie zeigt ein einfaches PT1-Verhalten des Luftsystems. Das nichtlineare Verhalten des Luftsystems läßt sich mit der Gleichung (2) beschreiben: y = a0(t) + a1(t)(c1x + c2x2) (2)
  • Diese Gleichung (2) zeigt den Zusammenhang zwischen der Ist-Große y und der Zustandsgroße x in Form einer Parabel. Die zeitabhängigen Parameter a0(t), a1(t) sowie die Konstanten c1, c2 definieren die zeitabhangige Lage und Form der Parabel.
  • Die mindestens eine Zustandsgroße x wird entweder von einem Sensor gemessen oder sie wird in dem Schaltblock MD aus anderen Betriebsgroßen der Brennkraftmaschine berechnet. Solche Modellberechnungen sind an sich bekannt, weshalb hier nicht explizit darauf eingegangen wird. Um die modellierte Zustandsgröße x möglichst genau der realen Zustandsgroße anzunahern, ist es zweckmäßig, eventuell bei der Modellberechnung einen Korrekturfaktor Δx zu berucksichtigen. Dieser Korrekturfaktor Δx kann von einem Beobachter BB erzeugt werden. Dieser Beobachter BB stellt eine Abweichung zwischen der modellierten Zustandsgröße x und einer gemessenen Zustandsgröße dar und erzeugt entsprechend dieser Abweichung einen Korrekturfaktor Δx, der in die Modellberechnung der Zustandsgröße x einfließt.
  • In der folgenden Gleichung (3) ist die zeitliche Ableitung der Ist-Große y gemäß der Gleichung (2) wiedergegeben. y = a0(t) + a1(t)(c1x + c2x2) + a1(t)(c1 + 2c2x) 1 / T(u – x) (3)
  • Wenn, wie gefordert, zwischen der Ist-Große y und der Stellgroße v des Reglers RG ein linearer Zusammenhang entsprechend einem Integrator bestehen soll, muß gelten: v = y (4)
  • Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich schließlich fur die neue Stellgröße u
    Figure DE000010034789B4_0002
  • Diese Gleichung (5) beschreibt die Abhängigkeit der neuen Stellgröße u von der Zustandsgröße x und der Stellgroße v des Reglers RG. Die Abhangigkeit der neuen Stellgroße u von der Stellgröße v ist damit genau invers zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe y von der neuen Stellgröße u. Somit besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Ist-Große y und der Stellgröße v des Reglers RG.
  • Als Regler sollte ein robuster Regler, z. B. ein schaltender Regler, der immer nur einen von zwei Extremwerten annehmen kann, eingesetzt werden. Ein solcher robuster Regler reagiert unempfindlich auf Parameterschwankungen im Regelkreis.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei eine von einem Regler (RG) aus der Abweichung (e) zwischen einer Soll-Große (w) und einer Ist-Große (y) des Luftsystems (LS) abgeleitete Stellgroße (v) für einen Steller (ST) des Luftsystems (LS) so verändert wird, dass zwischen der Stellgroße (v) und der Ist-Große (y) ein linearer Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens einer Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) und der vom Regler (RG) gelieferten Stellgröße (v) eine neue Stellgröße (u) hergeleitet wird, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgröße (v) aus dem Regler (RG) invers ist zu der nichtlinearen Abhängigkeit der Ist-Größe (y) von der neuen Stellgröße (u).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Stellgröße (vtg, bpv) für die variable Turbinengeometrie (13) oder für ein Bypass-Ventil (11) eines Turboladers (4, 5) hergeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Stellgröße (arf) für ein Abgasrückführventil (7) hergeleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Stellgröße (dk) für einen Drosselklappensteller (10) hergeleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) durch eine Modellberechnung (MD) ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgröße(n) (x) eine oder mehrere folgender Großen berücksichtigt werden: Ladedruck, Laderdrehzahl, Abgasrückführrate, im Ansaugrohr gespeicherte Luftmasse, Gastemperatur im Ansaugrohr, Stellung der Drosselklappe, Stellung des Abgasrückfuhrventils, Stellung des Bypass-Ventils oder der variablen Turbinengeometrie des Turboladers oder eine oder mehrere daraus abgeleitete Großen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen der durch Modellrechnung (MD) ermittelten Zustandsgroße (x) und der entsprechenden durch Messung ermittelten Zustandsgröße gebildet wird, und dass aus der Differenz ein Korrekturfaktor (Δx) fur die modellierte Zustandsgroße (x) gebildet wird.
  8. Vorrichtung zur Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des Luftsystems einer Brennkraftmaschine, wobei Mittel (LI) vorhanden sind, die eine von einem Regler (RG) aus der Abweichung (e) zwischen einer Soll-Größe (w) und einer Ist-Größe (y) des Luftsystems (LS) abgeleitete Stellgröße (v) für einen Steller (ST) des Luftsystems (LS) so verändern, dass zwischen der Stellgröße (v) und der Ist-Größe (y) ein linearer Zusammenhang besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (LI) aus mindestens einer Zustandsgröße (x) des Luftsystems (LS) und der vom Regler (RG) gelieferten Stellgröße (v) eine neue Stellgröße (u) herleiten, deren nichtlineare Abhängigkeit von der Stellgroße (v) aus dem Regler (RG) invers ist zu der nichtlinearen Abhangigkeit der Ist-Große (y) von der neuen Stellgröße (u).
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