DE19751977C2

DE19751977C2 - Steuerung für den Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19751977C2
Application number: DE19751977A
Authority: DE
Inventors: Werner Aschner; Philipp Bukovsek
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2017-11-26
Also published as: ITRM980713A0; IT1302870B1; GB9825200D0; FR2771450A1; GB2331596A; JPH11264320A; GB2331596B; US6161383A; JP3220794B2; FR2771450B1; DE19751977A1; ITRM980713A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für den Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, deren Abgasturbo lader ein Stellglied für den Ladedruck, insbesondere eine verstellbare Turbinengeometrie aufweist.

Aus der EP 0 747 585 A2 ist bereits bekannt, die Steuerung mit einer Steuereinrichtung sowie zusätzlich einer Regel einrichtung auszustatten und den Ladedruck im unteren Last bereich der Brennkraftmaschine zu steuern und den Regler erst im oberen Lastbereich zuzuschalten und den Ladedruck zu regeln. Die Steuereinrichtung bleibt dabei auch im ge regelten Lastbereich aktiv, um einen stabilen Betrieb des Turboladers zu gewährleisten. Die Steuereinrichtung liest zur Einstellung des Ladedruckes aus Kennfeldern Sollwerte aus, welche in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Kraftstoffeinspritzmenge elektronisch gespeichert sind. Die Sollwerte werden in ein bestimmtes Tastverhältnis umgerech net, mit dem das Stellglied angesteuert wird. Zur Regelung des Ladedruckes bestimmt die Regeleinrichtung aus einem Soll-/Istwert-Vexgleich vorgegebener Sollwerte und ermit telter Istwerte des Ladedruckes ein Regeltastverhältnis, welches dem Wirkungsweg zum Stellglied zugeführt und dem Steuertastverhältnis zuaddiert wird. Zum Einschalten der Regelung beim Übergang vom unteren in den oberen Lastbe reich ist ein Schalter vorgesehen, dem eingangsseitig ein Kraftstoffeinspritzmengensignal und ein Drehzahlsignal zu geführt werden. Die Einschaltung erfolgt erst dann, wenn das Kraftstoffeinspritzmengensignal eine drehzahlabhängige Schwelle überschreitet, welche aus einer Kennlinie ausge lesen wird. Unterschreitet das Kraftstoffmengensignal beim Sinken die drehzahlabhängige Schwelle, welche zum Erreichen einer Hysterese-Wirkung aus einer mit Abstand und etwa par allel zur oberen Kennlinie verlaufenden unteren Kennlinie ausgelesen wird, so wird die Regelung ausgeschaltet. Im Regelbetrieb ist durch die ebenfalls eingeschaltete Steuer einrichtung und die damit verbundene Durchschleifung der Steuer-Sollwerte des Ladedrucks ein Vorsteuereffekt gege ben.

Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie weisen eine hohe Dynamik im Ladedruckaufbau aus. Bei einem Betrieb des VTG-Turboladers mit der bekannten Steuerung des Lade drucks kommt es immer wieder bei einem schnellen Ladedruck aufbau zu einem Überschwingen des Ladedrucks über den Soll wert hinaus, was unmittelbar zu schädlichen Überhöhungen der Abgasgegendruckes im Auslaßtrakt der Brennkraftmaschine führt. Ein hoher Abgasgegendruck infolge der Aufstauwirkung der Laderturbine wirkt auf die Antriebskolben der Brenn kraftmaschine und verlangt eine höhere Kolbenarbeit zum Ausschub der Abgase. Da die Überhöhung des Abgasgegen druckes unbedingt vermieden werden muß, kann mit der be kannten Steuerung des Ladedruckes insbesondere in instatio nären Betriebszuständen der aufgeladenen Brennkraftmaschine kein drehmomentoptimaler Ladedruckaufbau erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsge mäße Steuerung derart weiterzubilden, daß die dynamischen Eigenschaften des Abgasturboladers mit verstellbarer Turbi nengeometrie bezüglich des Ladedruckaufbaus in allen Be triebszuständen der Brennkraftmaschine genutzt werden und ein drehmomentoptimaler Ladedruckaufbau ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht sowohl eine Steuerung des Ladedruckes mit Sollwerten, welche der Steuereinrichtung im Wirkungsweg zum Stellglied in Abhän gigkeit der Motordrehzahl und der aktuellen Kraftstoffein spritzmenge vorgegeben werden, als auch eine Regelung des Ladedruckes, welche stets den betriebspunktoptimalen Lade druck sowie einen drehmomentoptimalen Ladedruckaufbau ga rantiert. In weiteren Betriebsbereichen der Brennkraft maschine, insbesondere bei zunehmend höherer Teillast und im Vollastbetrieb, wird der Ladedruck vorteilhaft geregelt. Bei geringer Teillast wird die Regeleinrichtung abgeschal tet und der Ladedruck gesteuert, was aufgrund der in diesem Lastbereich sehr flachen Kennlinie des Abgasturboladers als vorteilhaft angesehen wird. Der Umschaltzustand ist der zwischen der Regeleinrichtung und dem Wirkungsweg zum Stellglied angeordneten Umschaltvorrichtung vorgegeben. Zur Indikation des Umschaltzustandes zwischen Regelbetrieb und Steuerbetrieb zieht die Umschaltvorrichtung einen minde stens drehzahlabhängigen Kraftstoffeinspritzparameter heran.

Das Steuertastverhältnis als Stromausgangssignal der Steuereinrichtung sowie das im Regelbetrieb additiv zuge führte Regeltastverhältnis der Regeleinrichtung bilden an teilig ein Tastverhältnis der Steuerung zur Beeinflussung des Stellgliedes, dem vor dem Erreichen des Stellgliedes ein Vorsteuertastverhältnis hinzuaddiert wird. Das Vor steuertastverhältnis wird von einer separaten Vorsteuer einrichtung aus einer angeforderten Sollwertänderung eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine berechnet und dem Wirkungsweg zum Stellglied erst hinter dem Additionsglied für das Regeltastverhältnis zugeführt. Vorzugsweise wird der Vorsteuereinrichtung als Eingangssignal zur Ermittlung des Vorsteuertastverhältnisses die Regeldifferenz des Ladedruckes als Resultat des Soll-/Istwert-Vergleichs zugeführt. Der Anteil des gradierten Vorsteuertastverhält nisses am letztlich zum Stellglied gelangenden Stelltast verhältnis steigt mit dem Gradienten der angeforderten Sollwertänderung, wodurch insbesondere in instationären Betriebszuständen mit dem verstärkten Einfluß der Vor steuereinrichtung auf die verstellbare Turbinengeometrie ein dynamischer Ladedruckaufbau erreicht ist.

Weitere erfinderische Merkmale ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung einer Steuerung für den Ladedruck anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsschaubild der Einrichtungen der Steuerung,

Fig. 2 ein Schaltungsschaubild der Bau- und Übertragungs glieder der Umschalteinrichtung der Steuerung,

Fig. 3 ein Schaltungsschaubild der Bau- und Übertragungs glieder der Regeleinrichtung der Steuerung,

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm der Bau- und Übertragungs glieder einer Begrenzungseinrichtung der Steuerung,

Fig. 5 ein Schaltungsschaubild der Bau- und Übertragungs glieder der Vorsteuereinrichtung,

Fig. 6 ein Schaltungsschaubild einer vorteilhaft mit der Steuerung des Ladedrucks verwendeten Abgasrück führungsregelung.

Das Schaltungsschaubild der Fig. 1 zeigt prinzipiell das Zusammenwirken der Einrichtungen und Bauglieder im Wir kungsweg zum Stellglied bei einer Steuerung für den Lade druck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. Das Stellglied für den Ladedruck bildet eine variabel verstellbare Turbi nengeometrie des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine. Die nachfolgend beschriebene Steuerung für den Ladedruck über die Einstellung der verstellbaren Turbinengeometrie eignet sich insbesondere zum Einsatz bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, welche mit Kraftstoff-Direkteinsprit zung arbeiten und mit Common-Rail-Einspritzsystemen ausge stattet sein können. Die dynamischen Eigenschaften des VTG- Laders bezüglich des Ladedruckaufbaus können mit der erfin dungsgemäßen Steuerung in allen Betriebszuständen genutzt werden und ein drehmomentoptimaler Ladedruckaufbau ermög licht werden, wodurch insbesondere im Betrieb solcher auf geladenen Brennkraftmaschinen, welche mit Luftüberschuß ar beiten, wie Dieselbrennkraftmaschinen, Vorteile erzielt werden können. Der VTG-Lader und auch die Brennkraft maschine an sich ist bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellte Steuerung für den Ladedruck er zeugt ein Stelltastverhältnis TV_END zur Beeinflussung des Ladedruckes, welches einer Laderendstufe 7 des Abgasturbo laders eingegeben wird und zur Einstellung der verstell baren Turbinengeometrie entsprechend umgerechnet wird. Die Steuerung umfaßt eine Steuereinrichtung 2 und eine ab schaltbare Regeleinrichtung 3. Im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine, in dem die Kennlinie des Abgas turboladers flach verläuft, wird die Regeleinrichtung 3 vorteilhaft abgeschaltet und somit der Ladedruck gesteuert. Bei höherer Betriebslast wird auf Regelbetrieb umgeschal tet. Der Steuereinrichtung 2 werden zur Bestimmung eines Steuertastverhältnisses TV_S Sollwerte in Abhängigkeit der Motordrehzahl n und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge Me vorgegeben. Die Steuereinrichtung 2 wird weiter unten zu Fig. 2 näher beschrieben. Der Regeleinrichtung 3 wird zur Bestimmung eines additiv dem Wirkungsweg 1 zuführbaren Regeltastverhältnisses TV_R eins Regeldifferenz ΔP₂ des La dedruckes eingegeben. Die Regeldifferenz ΔP₂ wird aus einem Soll-/Istwert-Vergleich des Ladedruckes ermittelt, wobei an einem Vergleichsglied 11 der ermittelte Istwert P₂ ist des Ladedruckes dem Sollwert P_2soll gegengekoppelt wird, wel cher beispielsweise lastabhängig vorgegeben wird. Die Regeleinrichtung 3, welche zur Bestimmung des Regeltastver hältnisses TV_R weitere Eingangsgrößen durchschleift, wird weiter unten anhand von Fig. 3 näher erläutert.

Zur Umschaltung zwischen Regelbetrieb und Steuerbetrieb ist zwischen der Regeleinrichtung 3 und dem Wirkungsweg 1 eine Umschaltvorrichtung angeordnet. Die Umschalteinrichtung, welche später anhand von Fig. 2 weiter erläutert wird, zieht zur Indikation eines vorgegebenen Umschaltzustandes zwischen Regelbetrieb und Steuerbetrieb einen aus den Ein gangsgrößen der Umschaltvorrichtung gebildeten, mindestens drehzahlabhängigen Kraftstoffeinspritzparameter heran.

Das Steuertastverhältnis TV_S bzw. bei Regelung des Lade druckes das additiv aus Regeltastverhältnis TV_R und Steuer tastverhältnis TV_S gebildete Roh-Tastverhältnis TV_RS wird einer Begrenzungseinrichtung 6 im Wirkungsweg zum Stell glied zugeführt. Der Begrenzungseinrichtung 6 wird zur De finition eines zulässigen Tastverhältnisses, in dem das eingehende Roh-Tastverhältnis TV_RS begrenzt wird, eine obere Grenze und eine untere Grenze in Abhängigkeit eines Motorparameters vorgegeben. Als Motorparameter zur be triebspunktspezifischen Bestimmung der Grenzwerte des Tastverhältnisses zieht die Begrenzungseinrichtung 6 wahl weise das Eingangssignal der Drehzahl n oder des Kraft stoffverbrauches V der Brennkraftmaschine heran. Die ge rätetechnische Anordnung sowie die Funktion der Begren zungseinrichtung 6 wird später anhand von Fig. 4 beschrie ben.

Die Steuerung weist erfindungsgemäß eine Vorsteuereinrich tung 5 auf, welche unabhängig von der Steuereinrichtung 2 und der Regeleinrichtung 3 im Wirkungsweg 1 ein gradiertes Vorsteuerverhältnis TV_VO generiert. Die Ausgangsseite der Vorsteuereinrichtung 5 ist über ein Additionsglied 12 mit dem Wirkungsweg 1 verbunden, das in Wirkungsrichtung un mittelbar vor der Steuerstrecke liegt. Das letztlich der Steuerstrecke, der Laderendstufe 7, zugeführte Tastver hältnis TV_END wird also additiv aus dem Vorsteuerverhältnis TV_VO und dem Ausgangstastverhältnis TV_B der Begrenzungsein richtung 6 gebildet.

Das Vorsteuertastverhältnis TV_VO wird in Abhängigkeit der angeforderten Sollwertänderung des Ladedruckes gradiert. Es könnte jedoch auch die Sollwertänderung eines anderen Be triebsparameters der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die Wunschmenge des einzuspritzenden Kraftstoffes, ermit telt werden. Der Anteil des Vorsteuertastverhältnisses TV_VO am letztlich zur Laderendstufe 7 gelangenden Stell tastverhältnis TV_END steigt mit dem Gradienten der Soll wertänderung. Die vom Wirkungsweg 1 separierte Vorsteuer einrichtung 5 erzeugt somit in stationären Betriebszu ständen der Brennkraftmaschine ein schwaches Vorsteuer tastverhältnis TV_VO, so daß der Vorsteuereffekt auf den Ladedruck gering ist und die Vorteile der Regelung voll zum Tragen kommen. In instationären Betriebszuständen, bei spielsweise bei hoher Beschleunigungsanforderung bzw. im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine, wird mit einem gra dierten Vorsteuertastverhältnis TV_VO der Ladedruckaufbau wesentlich beeinflußt. Gegenüber einer Regelung bzw. einer Steuerung des Ladedruckes mit unterlagerter Regelung, wie ihn die Anordnung der Steuereinrichtung 2 und der Regel einrichtung 3 mit ihrem anteilig erzeugten Tastverhältnis TV_RS vorsehen, kann der Ladedruckaufbau in instationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dynamisiert wer den. Außerdem wird der Vorsteuereinrichtung 5 ein weiterer Motorparameter, vorzugsweise wie im Ausführungsbeispiel die Motordrehzahl n zugeführt und zur Klassifikation des ermit telten Gradienten verwendet, was in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Schaltungsdarstellung der Vorsteuereinrichtung. Der Vorsteuereinrichtung wird als Eingangssignal die Regeldifferenz des Ladedruckes ΔP₂ zuge führt. Die Vorsteuereinrichtung umfaßt ein Steuergerät zur Erzeugung des ausgehenden Vorsteuertastverhältnisses TV_VO, welches DT1-Übertragungsverhalten aufweist. Eine dynamische Vorsteuerung wird erreicht, indem das Übertragungsverhalten des Steuergerätes 35 durch Beeinflussung der DT1-Funktion einstellbar ist. Dem Steuergerät 35 werden dabei als Über tragungsparameter ein Verstärkungsfaktor K und die Zeitkon stante T der DT1-Funktion vorgegeben. Die geeigneten Über tragungsparameter der DT1-Funktion des Steuergerätes 35 werden abhängig von der Gradientensteigung der Regeldiffe renz der ΔP₂ vorgegeben. Die Vorsteuereinrichtung umfaßt eine Einrichtung zur Gradientenerkennung 8, in der aus dem Eingangssignal der Regeldifferenz ΔP₂ durch Differentiation ein Gradientenkontrollwert berechnet wird. Zur Klassifizie rung der ermittelten Gradientensteigung werden der Einrich tung zur Gradientenerkennung 8 zwei Grenzgradienten Gr_p, Gr_n vorgegeben. Diese Grenzgradienten begrenzen ein vor steuerfreies Gradientenfenster, in dem kein Vorsteuertast verhältnis erzeugt werden soll. Liegt der ermittelte Lade druck-Gradient innerhalb des definierten Gradienten fensters, so wird die DT1-Funktion des Steuergerätes 35 nicht parameterisiert und das Stromausgangssignal der Vor steuereinrichtung, nämlich das Vorsteuertastverhältnis TV_VO, klingt mit der für das DT1-Übertragungsverhalten typischen e-Funktion ab.

Für die beiden außerhalb des Gradientenfensters liegenden Bereiche mit steilen Gradienten sind individuelle Über tragungsparameter zur Einstellung des DT1-Übertragungsver haltens des Steuergerätes 35 vorgesehen. Liegt die ermit telte Gradientensteigung oberhalb des oberen Grenzgradien ten Gr_p oder unterhalb des unteren Grenzgradienten Gr_n, so übermittelt die Einrichtung zur Gradientenerkennung 8 dem Steuergerät 35 die Information über das Erfordernis der Er zeugung des Vorsteuertastverhältnisses TV_VO. Das Steuer gerät 35 hat Zugriff auf verschiedene Übertragungsparameter für beide außerhalb des Gradientenfensters liegenden Berei che. Das Überschreiten des oberen Grenzwertes Gr_p wird dem Steuergerät 35 durch einen positiven Impuls POS angezeigt und die DT1-Übertragungsfunktion mit den für den positiven Impuls pos vorgesehenen Übertragungsparameter T_pos und K_pos eingestellt. Der negative Impuls NEG beim Unterschreiten des unteren Grenzgradienten Gr_n veranlaßt die Parameteri sierung der DT1-Funktion mit der Zeitkonstanten T_neg und dem Verstärkungsfaktor K_neg.

Sowohl für positive Gradienten POS als auch für negative Gradienten NEG der Gradientenerkennung 8 steht dem DT1- Glied ein Konstantenpaar eines vorgesehenen Verstärkungs faktors K_pos/K_neg und Zeitkonstante T_pos/T_neg zur Ver fügung. Bei einem Überschreiten eines der Grenzgradienten Gr_p, Gr_n wird der Ausgangswert des DT1-Gliedes initiali siert. Selbst bei Vorliegen instationärer Betriebszustände der Brennkraftmaschine mit mehrfach aufeinanderfolgenden positiven und negativen Lastwechseln kann ein optimaler Ladedruckaufbau erreicht werden, da bei jedem Lastwechsel die Erzeugung des Ausgangs-Tastverhältnisses beim Wert Null beginnt und gegebenenfalls noch nicht abgeklungene Ver stärkungswerte gelöscht werden.

Die Vorsteuereinrichtung 5 umfaßt weiterhin eine dem Steuergerät 35 nachgeordnete Begrenzungseinheit 38. Zur Be grenzung des ausgehenden Vorsteuertastverhältnisses TV_VO werden der Begrenzungseinheit 38 konstante Grenzwerte vor gegeben, nämlich ein oberer Vorsteuergrenzwert Vor_max und ein unterer Vorsteuergrenzwert Vor_min. Die Begrenzungsein heit 38 stellt sicher, daß das von der Vorsteuereinrichtung generierte Vorsteuertastverhältnis TV_VO innerhalb des durch diese Grenzwerte definierten Fensters liegt, und vermeidet unerwünschte Tastverhältnisspitzen.

Die zur Generierung des gradierten Vorsteuertastverhältnis ses TV_VO erforderlichen Konstanten, nämlich die Grenzgra dienten Gr_p, Gr_n, die Schwellwerte Vor_max, Vor_min des Vor steuertastverhältnisses, sowie die Verstärkungsfaktoren und die Zeitkonstanten der DT1-Funktion sind als zusammen gefaßter Parametersatz gemeinsam abrufbar in einem Para meterspeicher 34 abgelegt.

In dem Parameterspeicher 34 der Vorsteuereinrichtung sind mehrere Parametersätze DATA1 bis DATA 4 für unterschied liche Betriebszustände der Brennkraftmaschine abgespei chert. Die Parametersätze DATA1 bis DATA4 sind jeweils be stimmten Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine zugeord net. Vier verschiedene Parametersätze DATA1 bis DATA4 mit im voraus ermittelten und auf den jeweiligen Betriebs zustand abgestimmten Einstellungsparametern liegen durch Drehzahlschwellen getrennt und decken den gesamten Dreh zahlbereich der Brennkraftmaschine ab. Zur Bestimmung des jeweils auszulesenden und der Generierung des Vorteuertast verhältnisses zugrunde zulegenden Parametersatzes wird der Vorsteuereinrichtung die aktuelle Drehzahl n der Brenn kraftmaschine eingegeben.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 die Steuereinrichtung 2 und die Umschaltvorrichtung 4 der erfindungsgemäßen Steue rung näher beschrieben. Der Steuereinrichtung 2 ist ein Grundkennfeld 9 zugeordnet, in dem Sollwerte zur Bestimmung des Steuertastverhältnisses TV_S in Abhängigkeit der Motor drehzahl n und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge Me der Brennkraftmaschine elektronisch abgespeichert und zum Auslesen bereitgehalten sind. Neben dem Grundkennfeld 9 steht der Steuereinrichtung 2 ein Korrekturkennfeld 10 zum Auslesen zur Verfügung, in dem Korrekturwerte für die Soll werte des Grundkennfeldes 9 in Abhängigkeit des Umgebungs druckes und der Kraftstoffeinspritzmenge abgelegt sind. Die jeweils aus den Kennfeldern ausgelesenen Sollwerte und Kor rekturwerte werden über ein Additionsglied 19 zu dem Steuertastverhältnis TV_S zusammengefaßt. Die additive Ver knüpfung der Sollwerte und der Korrekturwerte erlaubt eine Drehzahl-, lastabhängige und ebenfalls höhenkorrigierbare Steuerung des Ladedruckes.

Im Wirkungsweg der Steuerung ist hinter der Steuereinrich tung 2 ein Additionsglied 20 zur Verknüpfung des Steuer tastverhältnisses TV_S mit dem Regeltastverhältnis TV_R der Regeleinrichtung zu dem gemeinsamen Roh-Tastverhältnis TV_RS angeordnet. Zwischen der Regeleinrichtung und dem Wirkungs weg ist die Umschalteinrichtung 4 angeordnet, welche zur Umschaltung von Regelbetrieb auf Steuerbetrieb der Steue rung die signalübertragende Verbindung der Regeleinrichtung mit dem Wirkungsweg mittels Schalter 18, 18' beherrscht.

Zur Indikation eines Umschaltzustandes zwischen Regel betrieb und Steuerbetrieb erfaßt die Umschalteinrichtung 4 die aktuelle Kraftstoffeinspritzmenge Me und vergleicht diese mit einem betriebspunktabhängig gebildeten Referenz signal einer Kraftstoffmengenschwelle Me_RS. Liegt die aktu elle Kraftstoffeinspritzmenge oberhalb der ermittelten Kraftstoffmengenschwelle Me_RS, so wird auf Regelbetrieb ge schaltet. Zur Bestimmung der Kraftstoffmengenschwelle Me_RS wird ein Basisschwellwert aus einer Basiskennlinie 21 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine aus gelesen und über ein Additionsglied 23 mit einem Höhen korrekturwert verknüpft, welcher in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck P_A einer Korrekturkennlinie 22 entnehmbar ist. Für den Fall, daß die ermittelte Einspritzmenge Me im Bereich der Mengenschwelle Me_RS liegt, ist zur Vermeidung ständigen Springens zwischen Regel- und Steuerbetrieb auf grund schwankender Werte der aktuellen Eingangswerte gege benenfalls die Schaltung zur Klassifizierung der Einspritz menge mit einem Hysterese-Glied 13 versehen. Abhängig von der Entscheidung der Umschalteinrichtung, ob der Ladedruck gesteuert oder geregelt werden soll, wird ein Boolsches Schaltsignal S mit Aussage über den Schaltzustand der Um schalteinrichtung 4 erzeugt. Um ein Prellen des Schalt signales S zu vermeiden, wird die aktuelle Einspritzmenge Me vor der Eingabe in das Hysterese-Glied 13 in einem PT1- Filter 36 geglättet.

Das Schaltsignal S bestimmt die Schalterstellung der Schal ter 18, 18' der Umschaltvorrichtung 4, welche den Durchgang des Regeltastverhältnisses TV_R zum Additionsglied 20 im Wirkungsweg zum Stellglied kontrollieren. Die Umschaltein richtung weist eine alternativ zum Durchgangszweig 15 des Regeltastverhältnisses TV_R parallel geschaltete Übergangs schaltung auf. Die Übergangsschaltung im Parallelzweig 14 des Durchgangszweiges 15 besteht aus einem Abtast-Halte- Glied 16 und einem nachgeschalteten DT1-Glied 17, welche beim Umschalten von Regelbetrieb auf Steuerbetrieb für ein exponentielles Abklingen des abzuschaltenden Regeltastver hältnisses auf den Wert Null sorgen. Es ist somit eine kon tinuierliche Regelung des Ladedruckes während des Umschal tens auf Steuerbetrieb gegeben und sichergestellt, daß das noch aus Steuer- und Regelanteilen bestehende Roh-Tastver hältnis TV_RS beim Umschalten sprungfrei erzeugt wird. Ab hängig vom Schaltsignal S der Umschaltvorrichtung 4 nimmt ein Logikschalter 18 im Knotenpunkt des Durchgangszweiges 15 und des Parallelzweiges 14 für die Übergangsschaltung sowie ein zweiter, im Parallelzweig 14 angeordneter Logik schalter 18' die dem jeweiligen Betriebszustand der Um schaltvorrichtung (Steuern/Regeln) zugeordnete Stellung ein.

Das Schaltsignal S sowie das Steuertastverhältnis TV_S wer den der Regeleinrichtung eingegeben, welche nachstehend an hand von Fig. 3 näher beschrieben wird. Die Regeleinrich tung umfaßt einen als PI-Regler ausgebildeten Regler 24, dem zur Generierung des Regeltastverhältnisses TV_R als Ein gangsgrößen die Regeldifferenz ΔP₂ des Sollwert-/Istwert- Vergleichs des Ladedruckes (siehe Fig. 1), das Steuertast verhältnis TV_S sowie betriebspunktabhängig vorgebbare Ver stärkungsfaktoren für das ausgehende Regeltastverhältnis TV_R eingegeben werden. Des weiteren berücksichtigt der PI- Regler 24 das Schaltsignal S der Umschaltvorrichtung (Fig. 2) sowie ein Boolsches Begrenzungssignal B über den Ein schaltzustand der im Wirkungsweg folgenden Begrenzungsein richtung und schleift bei der Generierung des Regeltastver hältnisses TV_R das Ausgangstastverhältnis TV_B der Begren zungseinrichtung durch. Die Regeleinrichtung umfaßt zur Bildung eines proportional wirkenden Verstärkungsfaktors KP sowie eines integrierend wirkenden Verstärkungsfaktors KI für die P- bzw. I-Anteile des PI-Reglers 24 Basiskennlinien mit betriebspunktabhängig abgespeicherten Basisverstär kungsfaktoren KP_B, KI_B. Die Regeleinrichtung umfaßt weiter Gewichtungskennlinien 28, 28' mit in Abhängigkeit von der Regeldifferenz ΔP₂ entnehmbaren Gewichtungsfaktoren G_P für den P-Anteil und G_I für den I-Anteil. Zur Ermittlung der Basisverstärkungsfaktoren sind jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl n oder dem Kraftstoffverbrauch V der Brennkraftmaschine wahlweise auslesbare Basiskennlinien 25, 26 vorgesehen. Die Auswahl des gewünschten Kriteriums zum Auslesen der jeweiligen Kennlinie erfolgt durch einen Schalter 27, welcher mit einem Umschaltsignal Um eines Softwareschalters beaufschlagt ist. Der Verstärkungsfaktor KP, KI des P-Anteils bzw. I-Anteils wird jeweils aus dem Produkt des Basisverstärkungsfaktors und des Gewichtungs faktors gebildet, welche in einem Multiplikationsglied 29, 29' verknüpft werden. Die Gewichtungskennlinie in Abhängigkeit von der Regeldifferenz bewirkt bei großen Regeldifferenzen ΔP₂ eine starke Verstärkung des Regeltastverhältnisses TV_R, während analog für kleine Regeldifferenzen die Verstärkung reduziert wird.

Der I-Anteil des PI-Reglers 24 wird im Steuerbetrieb oder auch bei aktiver Begrenzung des Tastverhältnisses durch die Begrenzungseinrichtung ständig initialisiert nach der fol genden Initialisierungsvorschrift:

I₀ = TV_B - ΔP₂ . KP - TV_S

Diese Initialisierungsvorschrift gewährleistet, daß bei Um schaltung auf Regelung des Ladedruckes das Tastverhältnis TV_B am Ausgang der Begrenzungseinrichtung keinen Sprung er fährt. Das Zuschalten des Regeltastverhältnisses TV_R zum Steuertastverhältnis wird somit synchronisiert. Im Regel betrieb sowie bei nicht begrenztem Tastverhältnis am Aus gang der Begrenzungseinrichtung berechnet sich der I-Anteil eines PI-Reglers 24 nach der gewöhnlichen Integrations formel:

I₀ = I_-1 + ΔP₂ . KI . Δt

Anhand von Fig. 4 wird nachfolgend die Begrenzungseinrich tung beschrieben, welche im Wirkungsweg zum Stellglied hin ter dem Additionsglied der Reglereinrichtung angeordnet ist. Die Begrenzungseinrichtung 6 umfaßt einen Logikbau stein 30, dem eine obere Grenze TV_max und eine untere TV_min zur Begrenzung des eingehenden Roh-Tastverhältnisses TV_RS betriebspunktabhängig vorgegeben werden. Liegt das einge hende Roh-Tastverhältnis TV_RS innerhalb des durch die Grenzwerte definierten, zulässigen Wertefensters, so wird das Roh-Tastverhältnis ohne Begrenzung weitergeleitet. Liegt der Eingangswert außerhalb des Wertefensters, so er folgt eine Begrenzung, und das ausgehende Tastverhältnis TV_B wird auf den jeweils Überschrittenen Grenzwert gesetzt. Bei eingeschalteter Begrenzung wird ein Boolsches Begren zungssignal B erzeugt und dem PI-Regler der Regeleinrich tung zur Wahl der geeigneten Initialisierungsvorschrift des I-Anteils zugeleitet. Die oberen Grenzwerte TV_max sind in einem Grenzkennfeld 31 in Abhängigkeit eines Motorpara meters und zusätzliche Abhängigkeit des Atmosphärendrucks elektronisch abgespeichert und bedarfsweise auslesbar. Die Berücksichtigung des Atmosphärendrucks P_A ermöglicht dabei eine höhenkorrigierte Festlegung des optimalen Begrenzungs fensters. Die unteren Begrenzungswerte TV_min werden aus einer Grenzkennlinie 32 in Abhängigkeit des Motorparametes ausgelesen.

Die Begrenzungseinrichtung umfaßt zwei Begrenzungskenn felder 31, 31' für den oberen Grenzwert TV_max und zwei Grenzkennlinien 32, 32' für den unteren Grenzwert TV_min, deren Informationen jeweils in Abhängigkeit unterschied licher Motorparameter abgelegt sind. Im Ausführungsbeispiel ist neben einem drehzahlabhängigen Grenzkennfeld 31 bzw. einer drehzahlabhängigen Grenzkennlinie 32 ein alternativ auslesbares Kennfeld 31' bzw. Kennlinie 32' eingerichtet, welche abhängig von dem Kraftstoffverbrauch der Brennkraft maschine elektronisch abgespeicherte Grenzwerte bereithalten. Die Grenzwerte sind also wahlweise in Abhän gigkeit von der Drehzahl n oder dem Kraftstoffverbrauch V der Brennkraftmaschine vorgebbar. Der Zugriff auf das drehzahlabhängige Begrenzungskennfeld 31 mit der entspre chenden Begrenzungskennlinie 32 für den unteren Grenzwert oder die alternative Einschaltung des verbrauchsabhängigen Grenzkennfeldes 31' in Verbindung mit der entsprechenden Grenzkennlinie 32' wird durch die Einstellung von Wahl schaltern 33, 33' bestimmt, welche von einem Wahlsignal W_B eines Softwareschalters beaufschlagt sind. Je nachdem, un ter welchen Bedingungen die Brennkraftmaschine im allgemei nen betrieben wird, kann die eine oder die andere Einstel lung vorteilhaft sein.

Das Verbrauchssignal V als betriebspunktabhängiges Krite rium zum Auslesen des Kennfeldes 31' und der entsprechenden Kennlinie 32' wird nach der folgenden Berechnungsvorschrift normiert ermittelt:

V[Liter/min]
=
n[1/min] . Me[mm³/Kolbenhub] . (Zylinderzahl/2) . 10^-6

Die oben beschriebene Steuerung des Ladedruckes wird vor teilhaft bei solchen aufgeladenen Brennkraftmaschinen ein gesetzt, welche mit Abgasrückführung arbeiten. Die Fig. 6 zeigt ein Schaltungsschaubild einer Regeleinrichtung der Abgasrückführrate, welche als Stellglieder ein üblicher weise in einer Abgasrückführungsleitung angeordnetes Abgas rückführungsventil ansteuert und darüber hinaus eine Dros selklappe im Einlaßbereich der Brennkraftmaschine zur Er höhung der Abgasrückführungsrate einsetzt. Die Einrichtung umfaßt eine Reglereinheit 40, der die Regeldifferenz der Abgasrückführungsrate AGR eingegeben wird. Die Regeldiffe renz wird dabei durch Abzug eines gemessenen Istwertes der Abgasrückführungsrate AGR_ist von einem angeforderten Soll wert AGR_soll an einem Verknüpfungsglied 45 gebildet. Das Ausgangssignal TV_REG des Abgasrückführungsreglers 40 wird als Variable einem Ventilsteuerkennfeld 41 zugeführt, dem ein Abgasrückführungstastverhältnis TV_AGR zur Einstellung des Abgasrückführungsventils entnommen wird. Das Ventil steuerkennfeld 41 wird zusätzlich zum Reglertastverhältnis TV_REG in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl n der Brennkraftmaschine ausgelesen. Zur Bildung eines Drossel klappentastverhältnisses TV_DK ist ein separates Drossel klappenkennfeld 42 vorgesehen, welches ähnlich dem Ventil kennfeld 41 in Abhängigkeit von dem Reglertastverhältnis TV_REG des Abgasrückführungsreglers 40 und zusätzlich in Ab hängigkeit von der aktuellen Drehzahl n der Brennkraft maschine auslesbar ist. Der dem Drosselklappenkennfeld 42 entnommene Wert wird vor der Eingabe in ein Stellglied der Drosselklappe durch multiplikative Verknüpfung mit Korrek turwerten optimiert. Hierzu ist eine Korrekturkennlinie 43, welche in Abhängigkeit von der Temperatur T der Brennkraft maschine auslesbar ist, sowie weiterhin eine Höhenkorrek tur-Kennlinie 44 vorgesehen, deren Daten in Abhängigkeit vom Atmosphärendruck H entnehmbar sind. Die Temperaturkenn linie 43 und die Höhenkennlinie 44 ermöglichen demnach eine kühlwasser- bzw. höhenabhängige Reduzierung der Drossel wirkung der Drosselklappe und gestatten eine betriebspunkt optimale Einstellung der Abgasrückführungsrate. Die be schriebene Drosselklappensteuerung zur Beeinflussung der Abgasrückführungsrate eignet sich inbesondere zur Verwen dung bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, wie der im Ausführungsbeispiel beschriebenen, mit Common-Rail-Ein spritzung arbeitenden Brennkraftmaschine, bei denen die Drosselklappe vorrangig zur Erhöhung der maximalen Abgas rückführungsrate einsetzbar ist.

Claims

1. Steuerung für den Ladedruck einer aufgeladenen Brenn kraftmaschine, deren Abgasturbolader ein Stellglied (7) für den Ladedruck (P₂), insbesondere eine verstell bare Turbinengeometrie aufweist,

- mit einer Steuereinrichtung (2) im Wirkungsweg (1) zum Stellglied (7), welcher mindestens ein Grund kennfeld (9) zugeordnet ist, in dem Sollwerte min destens in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (n) und der aktuellen Kraftstoffeinspritzmenge (Me) elektronisch abgespeichert und zum Auslesen zur Be stimmung eines Steuertastverhältnisses (TV_S) be reitgehalten sind,
- mit einer abschaltbaren Regeleinrichtung (3) zur Bestimmung eines additiv dem Wirkungsweg (1) zu führbaren Regeltastverhältnisses (TV_R) aus einem Soll-/Istwert-Vergleich vorgebbarer Sollwerte (P_2soll) und ermittelter Istwerte (P_2ist) des Lade druckes (P₂),
- mit einer zwischen der Regeleinrichtung (3) und dem Wirkungsweg angeordneten Umschaltvorrichtung (4), welche zur Indikation eines vorgegebenen Umschalt zustandes zwischen Regelbetrieb und Steuerbetrieb einen mindestens drehzahlabhängigen Kraftstoffein spritzmengenparameter heranzieht,
- mit einer Vorsteuereinrichtung (5) zur Berechnung eines in Abhängigkeit einer angeforderten Sollwert änderung mindestens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine gradierten Vorsteuertastverhält nisses (TV_VO), welches dem Wirkungsweg (1) über ein Additionsglied (12) zuführbar ist.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wirkungsweg (1) hinter dem Additionsglied (20) der Regeleinrichtung (3) eine Begrenzungseinrichtung (6) angeordnet ist, der eine obere Grenze (TV_max) und eine untere Grenze (TV_min) zur Begrenzung des eingehenden Roh-Tastverhältnisses (TV_RS) in Abhängigkeit mindestens eines Motorparameters (n, V) vorgebbar sind.

3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte (TV_max, Tv_min) wahlweise in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) oder dem Kraftstoffverbrauch (V) vorgebbar sind.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Grenzwerte (TV_max) mit zusätzlicher Abhängigkeit vom Atmosphären druck (P_A) in einem Grenzkennfeld (31, 31') elektro nisch abgespeichert und bedarfsweise auslesbar sind.

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Additionsglied (12) für das Vorsteuertastverhältnis (TV_VO) im Wirkungsweg (1) hinter der Begrenzungseinrichtung (6) liegt.

6. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (4) eine alternativ zum Durchgang des Regeltastverhältnis ses (TV_R) geschaltete Übergangsschaltung aufweist, wel che aus einem Abtast-Halte-Glied (16) mit nachgeschal tetem DT1-Glied (17) besteht.

7. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (4) bei der Bestimmung des Umschaltzustandes zwischen Steuer- und Regelbetrieb den Atmosphärendruck (P_A) be rücksichtigt.

8. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (3) einen Regler (24) umfaßt, dem als Eingangsgrößen die Regeldifferenz (ΔP₂) des Soll-/Istwert-Vergleichs des Ladedruckes (P₂) sowie mindestens das Steuertastver hältnis (TV_S) zugeführt werden und dem Verstärkungs faktoren (KP, KI) für das ausgehende Regeltastverhält nis (TV_R) betriebspunktabhängig vorgebbar sind.

9. Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als PI-Regler (24) ausgebildet ist und die Regeleinrichtung (3) zur Bildung eines proportionalen Verstärkungsfaktors (KP) sowie eines integrierend wirkenden Verstärkungsfaktors (KI) Basiskennlinien (25, 25', 26, 26') mit betriebs punktabhängig gespeicherten Basisverstärkungsfaktoren (KP_B, KI_B) und Gewichtungskennlinien (28, 28') mit in Abhängigkeit von der Regeldifferenz (ΔP₂) entnehmbaren Gewichtungsfaktoren (G_P, G_I) umfaßt.

10. Steuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) auslesbare Basiskennlinien (25, 25') oder in Abhängigkeit von dem Kraftstoffverbrauch (V) aus lesbare Basiskennlinien (26, 26') vorgesehen sind.

11. Steuerung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (24) das Aus gangstastverhältnis (TV_B) der Begrenzungseinrichtung (6) durchschleift.

12. Steuerung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (24) sowohl mit der Umschalteinrichtung (4) als auch mit der Begren zungseinrichtung (6) signalübertragend in Verbindung steht und jeweils einen Boolschen Parameter (S, B) mit Aussage über den jeweiligen Betriebszustand empfängt, wobei für jede Kombination der Boolschen Parameter (S, B) eine zugehörige Initialisierungsanweisung für den I- Anteil im Regler (24) bereitgehalten ist.

13. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsteuereinrichtung (5) als Eingangssignal zur Bestimmung des Vorsteuer tastverhältnisses (TV_VO) die Regeldifferenz des Lade druckes (ΔP₂) zugeführt wird.

14. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (35) der Vorsteuereinrichtung (5) zur Erzeugung des ausgehenden Vorsteuertastverhältnisses (TV_VO) DT1-Übertragungsver halten aufweist.

15. Steuerung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsverhalten des Steuergerätes (35) durch Vorgabe mindestens eines Übertragungsparameters, vorzugsweise eines Verstär kungsfaktors (K_pos, K_neg) und einer Zeitkonstanten (T_pos, T_neg) der DT1-Funktion, einstellbar ist.

16. Steuerung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuereinrichtung (5) eine Einrichtung zur Gradientenerkennung (8) der angeforderten Sollwertänderung aus dem Eingangssignal umfaßt, wobei abhängig von der ermittelten Gradienten steigung die Übertragungsparameter der DT1-Funktion des Steuergerätes (35) vorgegeben werden.

17. Steuerung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung zur Gra dientenerkennung (8) zur Klassifizierung der ermittel ten Gradientensteigung zwei Grenzgradienten (Gr_p, Gr_n) vorgegeben werden, welche ein vorsteuerfreies Gradien tenfenster begrenzen, und für die beiden außerhalb des Gradientenfensters liegenden Bereiche individuelle Übertragungsparameter zur Einstellung des DT1-Über tragungsverhaltens des Steuergerätes (35) vorgesehen sind.

18. Steuerung nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuereinrichtung (5) eine dem Steuergerät (35) nachgeordnete Begren zungseinheit (38) umfaßt, der zur Begrenzung des aus gehenden Vorsteuertastverhältnisses (TV_VO) ein oberer Vorsteuergrenzwert (Vor_max) und ein unterer Vorsteuer grenzwert (Vor_min) vorgegeben werden.

19. Steuerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsteuereinrichtung (5) ein Parameterspeicher (34) zugeordnet ist, dem ein Parametersatz (DATA1-DATA4) mit den der Vorsteuerein richtung (5) bei der Erzeugung des Vorsteuertastver hältnisses (TV_VO) vorzugebenden Einstellungsparametern (Gr_p, Gr_n, T_pos, T_neg, K_pos, K_neg, Vor_max, Vor_min) ent nehmbar ist.

20. Steuerung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Parameterspeicher (34) mehrere Parametersätze (DATA1-DATA4) für unter schiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine ab gespeichert sind.

21. Steuerung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Parametersätze (DATA1- DATA4) jeweils bestimmten Drehzahlbereichen der Brenn kraftmaschine zugeordnet sind und der Vorsteuereinrich tung (5) zur Bestimmung des auszulesenden und vorzu gebenden Parametersatzes (DATA1-DATA4) die aktuelle Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine eingegeben wird.