DE10123444B4 - Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur in einem Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreis (1) mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe (3) und einem elektrisch steuerbaren Bypassventil (4), das einen veränderlichen Teil des Kühlmittelstroms durch eine einen Kühler (5) enthaltende Bypassleitung führt,
welche Regelanlage zum Regeln der Drehzahl der Kühlmittelpumpe (3) und der Stellung des Bypassventils (4) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine (2) und von der Differenz zwischen den Kühlmitteltemperaturen am Ausgang und Eingang der Brennkraftmaschine (2) aufweist:
ein erstes Regelglied (13), das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Ist- und Sollwertsignal für die Kühlmitteltemperatur-Differenz ein Pumpen-Stellsignal (CMF) für die Kühlmittelpumpe (3) bildet, und
einen Smith-Regler mit einem zweiten Regelglied (14), das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Sollwertsignal und einem geschätzten Istwertsignal für die Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine (2) ein Ventil-Stellsignal (COC) für das Bypassventil (4) bildet,
wobei zum Bilden des geschätzten Istwertsignals dem zweiten...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur in einem Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreis mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe und einem elektrisch steuerbaren Bypassventil, das einen veränderlichen Teil des Kühlmittelstroms durch eine einen Kühler enthaltende Bypassleitung führt.
  • Bei dieser Regelanlage werden somit statt eines konventionellen Thermostatventils und einer von der Brennkraftmaschine mechanisch angetriebenen konventionellen Kühlmittelpumpe ein elektrisch gesteuertes Bypassventil und eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe verwendet. Hierbei werden die Drehzahl der Kühlmittelpumpe und die Stellung des Bypassventils in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine und von der Differenz zwischen den Kühlmitteltemperaturen am Ausgang und Eingang der Brennkraftmaschine geregelt.
  • Eine Regelanlage dieser Gattung ist aus EP 0 965 737 A2 bekannt. In diesem Dokument wird erwähnt, dass die betreffende Regelstrategie in Form unterschiedlicher Algorithmen implementiert werden kann. Beispielsweise kann ein PID-Regler oder ein Integralregler verwendet werden.
  • Aus DE 19 51 973 8 A1 ist eine Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur in einem Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreis mit einem elektrisch steuerbaren Bypassventil bekannt, das einen veränderlichen Teil des Kühlmittelstroms durch einen Kühler bzw. eine Bypassleitung am Kühler vorbei führt. Die Stellung des Bypassventils wird in Abhängigkeit von der an einem Dehnstoffelement des Bypassventils anliegenden Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine und von einem Steuergerät vorgegebenen Signalen geregelt. Das Steuergerät bildet die Signale in Abhängigkeit von u.a. einer weiteren, zum Beispiel in der Brennkraftmaschine gemessenen Kühlmitteltemperatur. Zum Regeln der Stellung des Bypassventils wird ein PID-Regler verwendet, dessen Parameter mittels eines Beobachters in Form einer Sprunganregung und Auswertung der Sprungantwort adaptiert werden. Dem Beobachter liegt das Modell einer totzeitbehafteten Regelstrecke des Kühlkreislaufs und der Wärme abgebenden Brennkraftmaschine zugrunde. Die Genauigkeit der Auswertung bestimmt die Genauigkeit der Parameter des PID-Reglers, mit denen die zu erwartende Kühlmitteltemperaturabweichung ausgeregelt werden soll. Die so geänderten Parameter des PID-Reglers verringern oder heben bestenfalls den Einfluss der Totzeit des Systems auf.
  • Wird bei derartigen Regelanlagen die Drehzahl der Kühlmittelpumpe minimiert, um den Energieverbrauch der Kühlmittelpumpe gering zu halten, so ergeben sich aufgrund der hierdurch bedingten geringen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels relativ große Totzeiten des Systems. Dies ist besonders dann gravierend, wenn das Bypassventil in der Nähe des Auslasses der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Es treten dann sehr lange Verzögerungszeiten auf, bis nach einer Änderung der Stellung des Bypassventils das Kühlmittel am Einlass der Brennkraftmaschine (z.B. zum Kühlen der Brennkraftmaschine) zur Verfügung steht. Dies kann dazu führen, dass bei kurzen Lastsprüngen, wie sie z.B. bei einem Überholvorgang eines zugehörigen Kraftfahrzeuges auftreten, das Kühlmittel erst am Einlass der Brennkraftmaschine ankommt, wenn der Überholvorgang bereits beendet ist.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren zum Regeln der Kühlmitteltemperatur der oben beschriebenen Gattung so weiter zu bilden, das die Totzeiten des Systems berücksichtigt und nach Möglichkeit reduziert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 definierte Regelanlage gelöst.
  • Erfindungsgemäß umfasst somit die Regelanlage ein erstes Regelglied, das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Ist- und Sollwertsignal für die Kühlmitteltemperatur-Differenz ein Pumpen-Stellsignal (CMF) für die Kühlmittelpumpe bildet, und einen Smith-Regler mit einem zweiten Regelglied, das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Sollwertsignal und einem geschätzten Istwertsignal für die Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine ein Ventil-Stellsignal (COC) für das Bypassventil bildet. Zum Bilden des geschätzten Istwertsignals ist dem zweiten Regelglied ein Beobachter zugeordnet, der mittels eines Modells für den Kühlmittelstrom und die Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine die Totzeit des Systems laufend schätzt und hierzu in Abhängigkeit von den verzögert zurückgeführten Pumpen- und Ventil-Stellsignalen (CMC, COC) sowie in Abhängigkeit von den Istwertsignalen für die Kühlmitteltemperatur am Eingang und Ausgang, der Drehzahl und dem Füllungsgrad der Brennkraftmaschine geschätzte Kühlmitteltemperaturen am Ausgang der Brennkraftmaschine für ein System mit Totzeit und ein System ohne Totzeit bildet, welcher zum Bilden des geschätzten Istwertsignales miteinander verknüpft und dem zweiten Regelglied zugeführt werden.
  • Smith-Regler sind an sich bekannt, vgl. z.B. "Matlab" und "Simulink", Beispielorientierte Einführung in die Simulation dynamischer Systeme, Addison-Wesley 1998, S. 353–358. Aus DE 96 701 526 T2 ist ferner ein in einer Brennkraftmaschinen-Regelung implementierter Smith-Regler bekannt. Der Smith-Regler hat gegenüber konventionellen Reglern den Vorteil, dass er auch große Totzeiten berücksichtigen kann, um zu große stationäre Fehler der Regelung zu vermeiden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen dargestellt. Es zeigt
  • 1 ein schematisches Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufes;
  • 2 ein Blockschaltbild einer Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur;
  • 3 ein Blockschaltbild eines in der Regelanlage der 2 verwendeten Reglers;
  • 4, 5 Diagramme, in denen die Kühlmitteltemperatur über der Zeit aufgetragen ist.
  • 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung den Kühlmittelkreislauf 1 einer Brennkraftmaschine 2. Der Kühlmittelkreis 1 enthält eine Kühlmittelpumpe 3 und ein Bypassventil 4. Die Kühlmittelpumpe 3 ist eine elektrisch angetriebene Pumpe, beispielsweise eine Radialpumpe, deren Drehzahl regelbar ist. Das Bypassventil 4, das den von der Brennkraftmaschine 2 kommenden Kühlmittelstrom je nach seiner Stellung durch einen Kühler 5 oder am Kühler 5 vorbei zur Kühlmittelpumpe 3 leitet, ist ein Wegeventil, dessen Stellung elektrisch steuerbar ist, wobei je nach Stellung des Bypassventils 4 ein mehr oder weniger großer Anteil des Kühlmittelstroms durch den Kühler 5 geleitet wird.
  • In 1 sind ferner Temperaturfühler 6, 7 und 8 dargestellt, mit denen die Kühlmitteltemperatur am Auslass und Einlass der Brennkraftmaschine 2 sowie am Auslass des Kühlers 5 erfasst werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass zum Erfassen der Kühlmitteltemperatur am Einlass der Brennkraftmaschine 2 kein eigener Temperaturfühler erforderlich ist, da diese Temperatur auch mit Hilfe anderer Betriebsparameter berechnet oder geschätzt werden kann. Auch der Temperaturfühler 8 am Auslass des Kühlers 5 ist nicht unbedingt erforderlich, während Fühler zum Erfassen weiterer Betriebsparameter wie z.B. zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine nicht dargestellt sind.
  • Um die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelkreislaufes 1 zu regeln, werden die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 3 und die Stellung des Bypassventils 4 mittels Stellsignalen CMF und COC geregelt. Die Stellsignale COC und CMF werden in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Auslass der Brennkraftmaschine sowie der Differenz der Kühlmitteltemperaturen am Auslass und Einlass der Brennkraftmaschine geregelt. Zum Erzeugen der Stellsignale CMF und COC dient die in 2 und 3 dargestellte Regelanlage, wobei hinsichtlich der in diesen Figuren verwendeten Abkürzungen auf die als Anlage beigefügte Liste verwiesen sei.
  • Die in 2 dargestellte Regelanlage hat eine Sollwertvorgabe 9, die anhand von Kennfeldern in Abhängigkeit von Eingangssignalen N_32 (Drehzahl der Brennkraftmaschine), TQI (Drehmoment der Brennkraftmaschine) und TCO_OUT_MES (Istwert der Kühlmitteltemperatur am Brennkraftmaschinenauslass), Sollwertsignale TCO_OUT_SET (Sollwert der Kühlmitteltemperatur am Auslass) und TCO_DELTA_SET (Sollwert der Differenz der Kühlmitteltemperaturen am Auslass und Einlass) erzeugt. Diese Sollwertsignale werden zusammen mit Istwertsignalen TCO_OUT_MES und TCO_INP_MES einem Regler 10 zugeführt. Der Regler 10 erzeugt – in noch zu beschreibender Weise – in Abhängigkeit von diesen sowie weiteren Eingangssignalen Ausgangssignale CMF_CTR und COC_CTR, die über Additionsglieder 11, 12 und Begrenzungsglieder (SATURATION) geführt werden, um das Stellsignal CMF zum Verstellen der Kühlmittelpumpe 3 bzw. das Stellsignal COC zum Verstellen des Bypassventils 4 zu erzeugen. In den Additionsgliedern 11 und 12 können bei abrupten Sollwertänderungen den Ausgangssignalen CMF_CTR und COC_CTR des Reglers 10 Signale überlagert werden, wie weiter unten genauer erläutert wird.
  • Der Regler 10, der in 3 genauer dargestellt ist, enthält ein Regelglied 13 in Form eines PID-Gliedes, das in Abhängigkeit von den Ist- und Sollwertsignalen TCO_OUT_MES, TCO_INP_MES und TCO_DELTA_SET das Ausgangssignal CMF_CTR erzeugt, aus dem das Pumpen-Stellsignal CMF gebildet wird.
  • Der Regler 10 enthält ferner ein Regelglied 14 in Form eines PI- oder PID-Gliedes, das in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangssignalen das Ausgangssignal COC_CTR erzeugt, aus dem das Ventil-Stellsignal COC gebildet wird. Das Fehler-Eingangssignal des Regelgliedes 14 wird jedoch nicht mit den tatsächlich gemessenen Istwerten der Kühlmitteltemperatur am Auslass (TCO_OUT), sondern mit geschätzten Istwert-Signalen TCO_OUT_PRED und CO_OUT_PRED_WO gebildet, die in einem Glied 18 miteinander verknüpft werden. Tatsächlich bildet das Regelglied 14 Teil eines Smith-Reglers, wie im Folgenden genauer erläutert wird.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, sind Smith-Regler bekannt. Sie dienen dazu, lange Totzeiten des Systems bei der Regelung zu berücksichtigen. Im Fall des dargestellten Kühlmittelkreislaufes 1 sind die Totzeiten einerseits durch die Dauer der Kühlmittelströmung in den Leitungen und andererseits durch die Dauer der Wärmeübertragung zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Kühlmittel bedingt.
  • Zum Erzeugen der dem Glied 18 zugeführten Signale TCO_OUT_PRED und TCO_OUT_PRED_WO werden die Ausgangssignale CMF und COC des Reglers 10 um einen Abtastzyklus verzögert (Unit Delay) zu einem Beobachter 15 zurückgeführt, s. das Blockschaltbild der 2. Der Beobachter 15 schätzt laufend die Totzeit des Systems. Wie erwähnt, setzt sich die Totzeit aus einem ersten Anteil, der von der Strömung des Kühlmittels durch die Leitungen herrührt, und einem zweiten Anteil, der von der Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine herrührt, zusammen. Der erste Anteil wird in Abhängigkeit von dem Pumpen-Stellsignal CMF geschätzt, das ein Maß für den Kühlmittelstrom darstellt. Der zweite Anteil wird in Abhängigkeit von der Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine geschätzt. Die Wärmeabgabe hängt von der Drehzahl und dem Füllungsgrad der Brennkraftmaschine ab. Der Beobachter 15 schätzt diese Größen in Abhängigkeit von den Eingangssignalen N_32 (Drehzahl), TQI (Drehmoment), TIA (Temperatur der Luft im Ansaugtrakt) und TEG-DYN (Abgastemperatur).
  • Der Beobachter 15 stellt gewissermaßen ein Modell für den Kühlkreislauf und die Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine dar, mit dem ein System ohne die geschätzte Totzeit simuliert werden kann. Mit dessen Hilfe werden die Ausgangssignale TCO_OUT_PRED und CO_OUT_PRED_WO erzeugt, bei denen es sich um geschätzte Istwert-Signale für die Kühlmitteltemperatur am Auslass für ein gedachtes System mit Totzeit und ohne Totzeit handelt. Diese beiden Signale werden von dem Glied 18 (3) verknüpft, um das geschätzte Fehlersignal für das Regelglied 14 zu erzeugen.
  • Das Regelglied 14 und der Beobachter 15 bilden somit zusammen einen Smith-Regler, wobei das Regelglied 14 das Stellsignal COC für das Bypass-Ventil unter Berücksichtigung der Totzeit des Systems erzeugt.
  • Die Regelanlage der 2 enthält ferner Mittel zum Verringern der Totzeit im Fall eines kurzen Lastsprunges, wie er beispielsweise bei einem Überholvorgang stattfindet. Tritt ein entsprechender Lastsprung auf, so wird der Sollwert für die Kühlmitteltemperatur am Auslass der Brennkraftmaschine (TCO_OUT_SET) schlagartig verringert, beispielsweise von 110° auf 80°, um den Liefergrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen, d.h. um eine bessere Zylinderfüllung und damit ein höheres Drehmoment zu erzielen.
  • Der Beobachter 15 erfasst eine derartige schnelle Sollwertänderung der Kühlmitteltemperatur und signalisiert dies mittels eines Ausgangssignales TCU_OUT_DOT einer Vorsteuerung 16. Der Vorsteuerung 16 wird außerdem von einem Block 17 ein Betriebszustandssignal TEM_STATE zugeführt, das Betriebszustände der Brennkraftmaschine wie z.B. die Aufwärmphase und dergleichen signalisiert. Die Vorsteuerung 16, der noch weitere nicht dargestellte Eingangssignale zugeführt werden, ist als PD-Glied ausgebildet, das in Abhängigkeit von entsprechenden Eingangssignalen Vorsteuersignale CMF_PRECTR für das Stellsignal CMF der Pumpe und COC_PRECTR für das Stellsignal COC des Bypassventils erzeugt. Der D-Anteil des PD-Gliedes sorgt hierbei für eine entsprechende Voreilung, die aufgrund der Verknüpfung des Signals CMF_PRECTR über das Additionsglied 11 mit dem Regler-Ausgangssignal CMF_CTR für eine kurzfristige Erhöhung der Drehzahl der Kühlmittelpumpe sorgt.
  • Wie Untersuchungen gezeigt haben, lässt sich auf diese Weise die Totzeit um einen Faktor in der Größenordnung von 7 verringern. Dies ist anhand der 4 und 5 veranschaulicht. 4 zeigt ein Diagramm für eine Regelung ohne die Vorsteuerung 16, bei der eine Absenkung des Sollwertes für die Kühlmitteltemperatur von z.B. 110° auf 80° eine Totzeit von 9 Sek. ergibt, bis die gemessene Kühlmitteltemperatur den Wert von 80° erreicht hat. Die 5 zeigt ein entsprechendes Diagramm für eine Regelung mit der Vorsteuerung 16. Durch die kurzfristige Erhöhung der Pumpendrehzahl wir die Totzeit auf 1,5 Sek. verringert.
  • Wie in 2 angedeutet, kann die Vorsteuerung 16 auch ein Vorsteuersignal COC_PRECTR erzeugen, das in dem Additionsglied 12 dem Reglersignal COC_CTR für das Bypassventil überlagert wird. In einer vereinfachten Ausführung kann das Vorsteuersignal COC_PRECTR jedoch auch zu Null gemacht werden.
  • Liste der in den 2 und 3 verwendeten Bezeichnungen
    • TCO
    = Kühlmitteltemperatur
    OUT
    = Auslass der Brennkraftmaschine
    INP
    = Einlass der Brennkraftmaschine
    MES
    = Gemessener Istwert
    SET
    = Sollwert
    TCO_DELTA
    = (TCO_OUT)–(TCO_INP)
    TEM_STATE
    = Betriebszustandssignal
    CMF
    = Stellsignal für Kühlmittelpumpe
    COC
    = Stellsignal für Bypassventil
    CTR
    = Regler
    PRECTR
    = Vorsteuerung
    N_32
    = Drehzahl der Brennkraftmaschine
    TQI
    = Drehmoment der Brennkraftmaschine
    RAD
    = Kühler
    DOT
    = Ableitung
    TIA
    = Lufttemperatur im Ansaugtrakt
    TEG_DYN
    = Abgastemperatur
    TCO_OUT_MES
    = Istwert der Kühlmitteltemperatur am Auslass
    TCO_INP_MES
    = Istwert der Kühlmitteltemperatur am Einlass
    TCO_DELTA_SET
    = Sollwert der Drift
    Scope
    = Bereich
    Saturation 1
    = Sättigung 1
    Saturation
    = Sättigung
    Unit Delay
    = Einheitstotzeit
    Unit Delay 1
    = Einheitstotzeit 1
    Relational Operator
    = Rechenoperator

Claims (5)

  1. Regelanlage zum Regeln der Kühlmitteltemperatur in einem Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreis (1) mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe (3) und einem elektrisch steuerbaren Bypassventil (4), das einen veränderlichen Teil des Kühlmittelstroms durch eine einen Kühler (5) enthaltende Bypassleitung führt, welche Regelanlage zum Regeln der Drehzahl der Kühlmittelpumpe (3) und der Stellung des Bypassventils (4) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine (2) und von der Differenz zwischen den Kühlmitteltemperaturen am Ausgang und Eingang der Brennkraftmaschine (2) aufweist: ein erstes Regelglied (13), das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Ist- und Sollwertsignal für die Kühlmitteltemperatur-Differenz ein Pumpen-Stellsignal (CMF) für die Kühlmittelpumpe (3) bildet, und einen Smith-Regler mit einem zweiten Regelglied (14), das in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen einem Sollwertsignal und einem geschätzten Istwertsignal für die Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennkraftmaschine (2) ein Ventil-Stellsignal (COC) für das Bypassventil (4) bildet, wobei zum Bilden des geschätzten Istwertsignals dem zweiten Regelglied (14) ein Beobachter (15) zugeordnet ist, der mittels eines Modells für den Kühlmittelstrom und die Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine (2) die Totzeit des Systems laufend schätzt und hierzu in Abhängigkeit von den verzögert zurückgeführten Pumpen- und Ventil-Stellsignalen (CMC, COC) sowie in Abhängigkeit von den Istwertsignalen für die Kühlmitteltemperatur am Eingang und Ausgang, der Drehzahl und dem Füllungsgrad der Brennkraftmaschine (2) geschätzte Kühlmitteltemperaturen am Ausgang der Brennkraftmaschine für ein System mit Totzeit und ein System ohne Totzeit bildet, welche zum Bilden des geschätzten Istwertsignales miteinander verknüpft und dem zweiten Regelglied (14) zugeführt werden.
  2. Regelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Regelglied (13) ein PID-Glied ist.
  3. Regelanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Regelglied (14) ein PI- oder PID-Glied ist.
  4. Regelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Beobachter (15) eine Vorsteuerung (16) verbunden ist, die bei abrupten Änderungen des Sollwertes für die Kühlmitteltemperatur die Drehzahl der Kühlmittelpumpe (3) kurzfristig anhebt.
  5. Regelanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerung (16) ein PD-Glied aufweist.
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