DE19531871C1 - Verfahren zur Regelung des Ladedrucks bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Ladedruckes bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraft­ maschine auf einen vorgegebenen betriebspunktabhängigen Sollwert gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem aus der DE 40 25 901 C1 bekannten Verfahren wird verhindert, daß es nach einem positiven Lastwechsel noch während des Anstieges des Ladedruckes p2 in der Abgasleitung stromauf der Turbine zu unkontrollierten Drucküberhöhungen kommt, wodurch die Brennkraftmaschine nicht mehr gegen einen überhöhten Abgasgegendruck aus schieben muß und ein erhöhter Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gegeben sein kann. Dafür ist als Geber für den Abgasgegendruck p3 ein Grenzdruck­ schalter in der Abgasleitung vorgesehen, der bei einem bestimmten Grenzdruck seinen Schaltzustand ändert, d. h., daß der Grenzdruckschalter bei einem über dem Grenzdruck liegenden Abgasgegendruck bzw. eines Schwellwertes aus einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung übergeführt wird.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei einer derartigen Überwachung des Abgasgegendruckes p3 lediglich der momentane, vor der Turbine herrschende Abgasgegendruck erfaßt und mit einem Grenz- bzw. Schwellwert verglichen wird, wodurch diese Messung von dem aktuellen Atmosphärendruck, d. h. der Höhe über dem Meeresspiegel, unabhängig ist und zusätzlich der aktuell vorhandene Ladedruck p2 bei der Überwachung nicht berücksichtigt werden kann. Außerdem ist durch den Grenzdruckschalter nur eine größer bzw. kleiner Unterscheidung möglich, nicht jedoch eine kontinuierliche Bewertung.

Aus der JP 62-182437 geht ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung des Ladedruckes bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine hervor, bei dem die oben genannten Nachteile dadurch verbessert worden sind, daß zur Überwachung des Abgasdruckes nicht auf dessen Absolutwert zurückgegriffen wird, sondern daß zur Überwachung der Regelung des Abgasturboladers die Druckdifferenz zwischen dem Abgasdruck und dem aktuellen Ladedruck verarbeitet wird.

Nachteilig an dem vorgeschlagenen Verfahren ist, daß gemäß dem darin beschriebenen Blockschaltbild ein aufwendiger Ablauf von nacheinanderfolgenden Rechenschritten erforderlich ist, die von einer aufwendigen Regeleinrichtung erfaßt und ausgewertet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit welchem im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere nach positivem Lastwechsel aus niederen Last- und Drehzahlbereichen heraus, mit einfachen Mitteln die Regelung der Brennkraftmaschine ermöglicht und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruchs gelöst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Weise verhindert, daß es im Instationärbetrieb der Brennkraft­ maschine bei positivem Lastwechsel während des Anstieges von dem Ladedruck zu unzulässigen Abgasgegendrucküberhöhungen kommt, die aufgrund der dabei auftretenden negativen Gaswechselarbeit dem aufzubauenden Motordrehmoment entgegenwirken und dieses in unakzeptabler Weise reduzieren würden. Die ggf. unzulässigen Drucküberhöhungen können unmittelbar durch Vergleich mit einem motorbetriebsabhängigen Grenzdruck des Abgasgegendruckes erkannt werden, wobei dabei der aktuelle Ladedruck berücksichtigt ist. Bei einer unzulässigen Drucküberhöhung des Abgasgegendruckes der von der Steuereinheit erkannt wird, erfolgt ein Eingriff in die Ladedruckregelung in der Weise, daß der Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie in seiner Schaufelstellung in Richtung Öffnen korrigiert wird und somit der Abgasdruck vor der Turbine auf den maximal zulässigen Grenzdruck reduziert wird. Dies erfolgt gemäß dem von der Fuzzy-Control-Einheit ausgegebenen Stellerstrom, mit dem ein mit einem Turbinen­ leitapparat in Verbindung stehendes Stellglied angesteuert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Es zeigen:

Fig. 1 eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 eine Funktionsweise der in Fig. 1 mit 20 bezeichneten erfindungsgemäßen elektronischen Steuereinheit in Form eines Blockschaltbildes und

Fig. 3 die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Fuzzy-Control-Einheit.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 11 mit einem Abgasturbolader 12, dessen Turbine 13 in der Abgasleitung 14 und dessen Verdichter 15 in der Ansaugleitung 16 angeordnet ist. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers 12 bei einem positiven Lastwechsel, insbesondere aus niederen Last- und Drehzahlbereichen heraus, weist dessen Turbine 13 einen in der Zeichnung der Übersichtigkeit nur schematisch angedeuteten Turbinenleit­ apparat 17 auf, mit Hilfe dessen zum einen die Anströmrichtung der Abgase auf die Turbinenschaufeln sowie der Anströmquerschnitt selbst verändert werden kann. Dieser Turbinenleitapparat 17 wird durch einen Stellmotor 18 betätigt, der wiederum über die Steuerleitung 19 von einer elektronischen Steuereinheit 20 ansteuerbar ist.

Der Steuereinheit 20 wird über einen Sensor 21 und einer Meßleitung 22 ein dem aktuellen Ladedruck p2 entsprechendes Signal zugeführt. Über einen Sensor 23 und einer Meßwertleitung 24 wird ein dem aktuellen Abgasdruck p3 vor der Turbine 13 entsprechendes Signal zugeführt. Über einen Sensor 25 und eine Meßwertleitung 26 wird der elektrischen Steuereinheit 20 ein der aktuellen Brennkraftmaschinen­ drehzahl n entsprechendes Signal zugeführt. Die Steuereinheit 20 erhält über den Sensor 27 im Einspritzsystem 29 und der Meßwertleitung 28 ein der aktuellen Einspritzmenge der Brennkraftmaschine 11 entsprechendes Signal. Die aktuelle Einspritzmenge wird wiederum über eine Stellung des Fahrpedales (nicht dargestellt) bestimmt, das vom Fahrer bei einem positiven Lastwechsel, wie beispielsweise von Leerlauf auf Vollast vorgegeben wird.

Bei einem positiven Lastwechsel der Brennkraftmaschine 11 wird der Turbinenleitapparat 17 zunächst in eine Schließstellung übergeführt, d. h. in seine den Anströmungs­ querschnitt für die Abgase auf die Turbine 13 auf ein Minimum reduzierende Stellung übergeführt. Aufgrund dem sehr klein ausgebildeten Anströmungsquerschnitt der Turbine 13 steigt der Abgasdruck p3 sehr schnell an, so daß noch bevor der Ladedruck p2 den diesem Betriebspunkt entsprechenden Sollwert p2,soll erreicht hat, der Abgasgegendruck p3 stark überhöht ist, was dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 11 abträglich ist. Dadurch ist es erforderlich, daß die Überhöhung des Abgasgegendruckes p3 überwacht und gesteuert wird, so daß ein optimaler Drehmomentaufbau erzielt werden kann, womit ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 11 verbunden ist.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuereinheit 20 dargestellt, die eine Regelstruktur zur Ansteuerung des Abgasturboladers 12 mit variabler Turbinengeometrie mit den Funktionseinheiten Regeldifferenzblock 31, Überwachungsblock 32 und einer Reglereinheit 33 aufweist. Der Regeldifferenzblock 31 und Überwachungsblock 32 liefern die erforderlichen Regelabweichungen bzw. Überwachungswerte für die Keglereinheit 33, die über einen Stellerstrom 34 ein Stellglied 18, wie in Fig. 1 dargestellt ist, regelt. Das Stellglied 18 bewirkt in Abhängigkeit des Stellerstromes 34 ein Öffnen oder Schließen des Turbinenleitapparates 17 bezüglich des Anströmungsquerschnitts.

In dem Regeldifferenzblock 31 wird über den Sensor 21 und die Meßwertleitung 22 der aktuelle Ladedruck p2 der Brennkraftmaschine 11 erfaßt. Gleichzeitig wird in dem Regeldifferenzblock 31 aufgrund der erfaßten Meßdaten über die Sensoren 25 und 27 als Funktion der Motordrehzahl und der Einspritzmenge der Ladedruckgrundwert aus einem applizierbaren Ladedruckkennfeld ermittelt, wie durch Block 37 dargestellt ist. Des weiteren wird ein höhenabhängiger Korrekturwert in Block 38 gebildet, der aus dem Atmosphärendruck und einer applizierbaren Korrekturkennlinie ermittelbar ist. Die Summe des Ladedruckgrundwertes und des höhenabhängigen Korrekturwertes ergeben einen Ladedrucksollwert p2,soll, bei dem die Brennkraftmaschine 11 einen optimalen Wirkungsgrad erzielt. Zwischen dem Ladedrucksollwert p2,soll und dem aktuellen Ladedruck p2 nach der Turbine 15 in der Ansaugleitung 16 wird durch Subtraktion der Differenzdruck ermittelt, der als Regeldifferenz dp2 von dem Regeldifferenzblock 31 ausgegeben und an die Reglereinheit 33 weitergegeben wird.

In dem Überwachungsblock 32 der elektronischen Steuereinheit 20 wird der maximal zulässige Differenzdruck p3_*max in einem applizierbaren Differenzdruckkennfeld 39 als Funktion der Motordrehzahl und der Einspritzmenge aus den Daten der Sensoren 25, 27 ermittelt. Parallel dazu wird der Ist-Wert des Abgasgegendruckes p3 über den Sensor 23 erfaßt und dem Ist-Wert des Ladedruckes p2 gegenübergestellt, woraus ein tatsächlicher Differenzdruck p3* resultiert. Die Ermittlung dieses Differenzdruckes hat den Vorteil, daß die Überwachung weitgehend unabhängig von dem aktuellen Atmosphärendruck ist und daß zusätzlich der aktuell vorhandene Ladedruck p2 bei der in diesem Überwachungsregelkreis 32 erfolgenden Überwachung berücksichtigt wird.

Analog der Regelabweichung dp2 gemäß dem Regeldifferenzblock 31 wird nun eine Steuergröße dp3* ermittelt, welche sich durch Subtraktion des tatsächlichen Differenzdruckes p3* vom maximal zulässigen Differenzdruck p3_*max ergibt. Diese Steuergröße dp3* dient als weitere Eingangsgröße für die Reglereinheit 33.

Die Steuergröße dp3* kann Werte annehmen, die negativ, ungefähr gleich Null oder Null als auch positiv sind. Dabei bedeutet für die Reglereinheit 33 beispielsweise eine Steuergröße dp3*, die sehr viel kleiner als Null ist, daß der Abgasgegendruck p3 für einen optimalen Drehmomentenaufbau zu groß ist, wodurch die Reglereinheit 33 derart ausgelegt sein muß, daß ein Eingriff in die Regelung des Ladedruckes p2 in der Weise erfolgt, daß die Schaufelstellung des Abgasturboladers 12 mit variabler Turbinengeometrie in Richtung Öffnen korrigiert wird und somit der Abgasdruck p3 vor der Turbine 13 auf den maximal zulässigen Grenzdruck reduziert wird.

In analoger Weise wird bei der Steuergröße dp3* sehr viel größer Null die Regelung dahingehend korrigiert, daß der für einen optimalen Drehmomentenaufbau zu geringe Abgasgegendruck p3 aufgebaut wird, indem das Schließen der Schaufelstellung des Abgasturboladers 12 mit variabler Turbinengeometrie beschleunigt wird. Bei einer Steuergröße dp3* nahezu Null liegt ein Abgasgegendruck p3 an der Turbine 13 für einen optimalen Drehmomentaufbau an, so daß keine Verstellung des Turbinenleitapparates 17 erforderlich ist.

Zur Realisierung eines geeigneten Regelalgorithmus, der für die o.g. Betriebszustände die Steuergröße dp3* entsprechend interpretiert und einfach auswertet und umsetzt, wird eine Fuzzy-Control-Einheit als Reglereinheit 33 verwendet, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Ein derartiger Fuzzy-Controller 33 hat den Vorteil, daß neben der Regelabweichung dp2 weitere Steuergrößen zur Berechnung des Stellerstromes 34 verwendet werden können. Insbesondere kann durch die Verarbeitung einer weiteren Steuergröße gegenüber bekannten PID-Reglern eine zusätzliche Stellgliedbeschränkung von vornherein vorgesehen sein, um nur gewisse Betriebszustände zuzulassen, wie nachfolgend noch ausgeführt wird.

Ein Fuzzy-Controller 33 weist zur Verarbeitung der Eingangsgrößen des Regeldifferenzblockes 31 und des Überwachungskreises 32 eine erste Stufe 51, eine Fuzzifizierung auf, indem beispielsweise die Eingangsgrößen dp3* als auch dp2 in die linguistischen Terme "negativ" (NE), "positiv" (PO) und "zero" (ZE) eingeteilt werden, wie aus Block 41 hervorgeht. In einer zweiten Stufe 52 wird durch eine Inferenzmatrix der Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen dp2 und dp3* und der Ausgangsgröße I anwendungsspezifisch definiert. Beispielhaft ist die Ausgangsgröße I ebenfalls in die linguistischen Terme "negativ" (NE), "positiv" (PO) und "zero" (ZE) eingeteilt. Diese Einteilung kann weiterhin differenziert werden, beispielsweise in "sehr viel kleiner" und "sehr viel größer" oder dergleichen, falls es die Regelstrecke erfordert.

Die Inferenzmatrix in Block 42 ordnet den linguistischen Termen der mit 56 bezeichneten Eingangsgröße dp3* (1. Zeile) und dp2 (1. Spalte) einen linguistischen Term für die Ausgangsgröße I zu, die in einer dritten Stufe 53, einer Defuzzifizierung gemäß Block 43, in einen Stellerstrom 34 umgesetzt wird.

Beispielhaft wird die Funktion und Arbeitsweise des Fuzzy- Controller 33 für einen dp3*-Eingang beschrieben, der "negativ" (NE) ist. Dies bedeutet, daß der Abgasgegendruck p3 für einen optimalen Drehmomentenaufbau zu hoch ist. Gemäß der Inferenzmatrix in Block 42 sind als Ausgangsgröße für den Stellerstrom 34 nur die linguistischen Terme NE und ZE möglich, wodurch der positive Verstärkungsbereich des Fuzzy- Controllers 33 reduziert wird. Dadurch nämlich wird bei sehr großen p3-Werten das Öffnen der Turbinenschaufeln beschleunigt, die bei einer Ausgangsvariablen NE geöffnet sind.

Bei einer Ausgangsvariablen ZE weisen diese beispielsweise eine mittlere Stellung auf bzw. sind teilweise geschlossen. Dadurch kann durch die Zuordnung der Ausgangsvariablen ZE und NE in der Spalte NE die Steuergröße dp3* sichergestellt sein, daß ausschließlich eine Verringerung des Abgasgegendruckes p3 durch Öffnen der Turbinenschaufeln ermöglicht ist. Analoges gilt für die weiteren Steuergrößen dp3*, die in der Matrix beispielhaft dargestellt sind.

Im Ausführungsbeispiel weist der Fuzzy-Controller 33 bezüglich des dp2-Einganges ein P-Verhalten auf. Das Stellglied 18 des Turbinenleitapparates 17 ist als ein Stellmotor mit einer I-Charakteristik ausgebildet, so daß bei einem konstanten Stellerstrom 34 aufgrund der I-Charakteris­ tik eine konstante Stellgeschwindigkeit erzielt werden kann.

Alternativ kann ebenso vorgesehen sein, daß ein Stellglied 18 mit P-Verhalten für den Turbinenleitapparat 17 verwendet wird, wobei dann ein Fuzzy-Controller 33 mit I- oder PI- Verhalten verwendet werden muß, um bleibende Regeldifferenzen zu vermeiden.

In der dritten Stufe 53 findet die Umrechnung der linguistischen Ausgangsterme 57 (NE, PO, ZE) in einen analogen Stromwert 34 gemäß den bekannten Methoden der Defuzzifizierung statt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung eines Ladedruckes bei einer mittels eines Abgasturboladers (12) mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine (11) auf einen motorbetriebspunktabhängigen Ladedrucksollwert (p2,soll), mit welchem im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine (11) nach positivem Lastwechsel der Brennkraftmaschine (11) der Turbinenleitapparat (17) in eine den Anströmungsquerschnitt auf die Turbine (13) verringernde Stellung übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Regelabweichung (dp2) aus einem Ladedrucksollwert (p2,soll) und einem Istwert des Ladedrucks (p2) und durch wenigstens eine weitere Steuergröße (dp3*) mit einer in einer elektrischen Steuereinheit (20) integrierten Fuzzy-Control-Einheit (33) ein Stellerstrom (I) ermittelt wird, der dem Stellmotor (18) des Turbinenleitapparates (17) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Steuergröße (dp3*) als Funktion des Abgasdruckes (p3) in einem Überwachungsblock (32) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelalgorithmus des Ladedrucks (p2) als Funktion der Steuergröße (dp3*) ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (dp3*) als Differenz aus einem betriebspunktabhängigen und applizierbaren maximal zulässigen Differenzdruck (p3_*max) und dem tatsächlichen Differenzdruck (p3*) ermittelt wird, wobei sich der Differenzdruck (p3*) als Differenz aus dem Abgasgegendruck (p3) und dem Ladedruck (p2) errechnet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriff der Steuergröße (dp3*) in den Regelalgorithmus mittels einer Fuzzy- Control-Einheit (33) realisiert ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Control-Einheit (33) mit einer Inferenzmatrix versehen wird, bei der die Regelabweichung (dp2) P-Verhalten aufweist und ein Stellglied (18) mit einer I-Charakteristik vorgesehen ist.