DE3023350A1

DE3023350A1 - Elektronische regeleinrichtung fuer die drehzahlregelung einer brennkraftmaschine mit selbstzuendung

Info

Publication number: DE3023350A1
Application number: DE19803023350
Authority: DE
Inventors: Albin 7141 Schwieberdingen Haßler; Fridolin 7146 Tamm Piwonka
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-06-21
Filing date: 1980-06-21
Publication date: 1982-01-14
Also published as: GB2078400A; GB2078400B; DE3023350C2; JPH0131021B2; JPS5732028A; US4428341A

Description

κ. 6365

22.5.1980 Mü/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Elektronische Regeleinrichtung für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Regeleinrichtung für eine Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Regeleinrichtungen sollen möglichst schnell sein und besitzen zu diesem Zweck sehr steile Kennlinien. Bekannt ist ein elektronischer Drehzahlregler mit PID-Verhalten und einer Steuerungsmöglichkeit des Proportionalitätsbereichs von Null bis etwa 10 %. Erreicht wird dies bei dem bekannten Regler durch Verändern des Drehzahl-Sollwerts als Eingangsgröße des Reglers in Abhängigkeit vom Füllungs-Ist-Wert.

Bei elektronischen P-Reglern mit reinem Proportionalverhalten bei sehr steilen Kennlinien hat sich nun die Gefahr yon Instabilitäten gezeigt, was im Hinblick auf geforderte Sicherheit, Zuverlässigkeit und gutes Fahrverhalten bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung höchst unerwünscht ist.

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Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sorgt für die geforderte Stabilität des elektronischen Reglers auch bei sehr steilen Kennlinien. Aus diesem Grund lassen sich nun bei elektronischen Reglern diese steilen Kennlinien ebenso sicher beherrschen wie bei rein mechanischen Systemen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenenen elektronischen Reglereinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei das relativ einfache Bereitstellen von Grenzkennlinien, die der jeweils statischen Abregelkennlinie benachbart sind.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein grobes Blockschaltbild der elektronischen Regeleinrichtung₃ Figur 2 Kennlinien zum Verständnis des Regelverhaltens sowie der möglichen Ausbildungsart des Rückkopplungskreises. In den Figuren 3a und 3b sind zur Erläuterung der Grenzkennlinien diese in ein Reglerkennfeld eingezeichnet und die Auswirkung eines Lastsprungs erklärt. Figur 4 zeigt eine Möglichkeit eines steuerbaren PI-Reglers und Figur 5 schließlich ein Flußdiagramm entsprechend der Wirkungsweise des Gegenstandes von Figur 1, wobei dieses Flußdiagramm auch Grundlage der Programmierung eines in einem Prozeßrechner ausgebildeten Reglers sein kann.

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt im Blockschaltbild die elektronische Regeleinrichtung für die Drehzahl einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung beim Dieselmotor. Mit 10 ist ein Fahrpedal bezeichnet, das einen Winkel-Spannungs-Wandler betätigt. Diesem Wandler schließt sich eine Reihenschaltung von Vergleichspunkt 12, Maximalwert-Auswahlstufe 13, Vergleichspunkt 14 und Regler 15 an, dem wiederum ausgangsseitig ein Stellglied 16 für die Regelstange der Brennkraftmaschine 17 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal des Reglers 15 wird über eine Rückkopplungsstufe 18 auf den Minus-Eingang des Vergleichspunktes geschaltet. Ein Leerlaufdrehzahl-Sollwertgeber 20 stellt für die Maximalwert-Auswahlstufe 13 das zweite Eingangssignal zur Verfügung. Ein Drehzahlsignal von einem Drehzahlgeber 21 bildet das Signal am Minus-Eingang des Vergleichspunktes 14.

Mit 23 und 24 ist je ein Kennfeldgenerator bezeichnet, die eingangsseitig mit Drehzahlgeber 21 und Wandler 11 verknüpft sind und ausgangsseitig mit je einer Vergleichsstufe 25 und 26 in Verbindung stehen. Ihr weiteres Eingangssignal erhalten die beiden Vergleichsstufen 25 und 26 vom Ausgang des Reglers 15. Sein Steuereingang 27 ist über Schalter 28 und 29 mit den Ausgängen der Kennfeldgeneratoren 23 und 24 verbindbar, wobei die Schalter 28 und 29 durch die Ausgangssignale der Vergleichsstufen 25 und 26 gesteuert werden.

Die prinzipielle Wirkungsweise der in Figur 1 angegebenen Regeleinrichtungen ist seit langem bekannt. Einer bestimmten Fahrpedalstellung entspricht ein bestimmter

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Drehzahlsollwert am Ausgang des Wandlers 11. Der Drehzahlsollwert wird über die nachfolgende Subtraktionsstelle vom Reglerausgangsmengenwunsch so beeinflußt, daß sich für einen größer werdenden Mengenwunsch ein kleiner werdender Drehzahlsollwert einstellt. Dieser Wert wird mit demjenigen für die Leerlaufdrehzahl verglichen, es folgt ein Vergleichspunkt für die tatsächliche Istdrehzahl und der nachfolgende Regler 15 bildet ein Ausgangssignal abhängig von der jeweils momentanen Drehzahlabweichung vom gewünschten Wert. Das Ausgangssignal des Reglers 15 stellt die gewünschte Kraftstoffmenge QK dar und über das Stellwerk 16 und die mit ihm gekoppelte Regelstange wird der Brennkraftmaschine YJ die entsprechende Kraftstoffmenge zugeführt. Mit der gerade beschriebenen Zeile des Gegenstandes von Figur 1 läßt sich im wesentlichen das aus Figur 2a ersichtliche Kennfeld bilden. Bei der Leerlaufdrehzahl nLL ergibt sich im stationären Fall eine senkrechte Linie, bedingt durch die Ausblendung der Rückkopplung durch Max-Auswahl 13. Die einzelnen abfallenden Kennlinien lassen sich entsprechend der Fahrpedalstellung verschieben.

Figur 2b zeigt mögliche Funktionsverläufe der Rückkoplungsstufe 18, wobei die Soll-Drehzahlabweichung über dem Kraftstoffwunschsignal QK aufgetragen ist und sich im Fall einer konstanten Rückführrate die ausgezogene gerade Linie ergibt. Gestrichelt gezeichnet sind noch zwei Funktionsverläufe im Hinblick auf eine unter Umständen gewünschte Nichtlinearität bei der Rückkopplung.

Figur 3 veranschaulicht anhand eines vereinfachten Kennlinienfeldes die Steuerung des Reglers 15 von Figur 1 im Sinne einer Manipulation des Reglerzustandes. Mit der

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ausgezogenen Linie IR ist dabei eine stationäre Abregelkurye dargestellt, d.h. für den ausgeregelten Zustand. Mit SO ist eine obere Begrenzungskennlinie bezeichnet; in entsprechender Weise markiert Su eine untere Begrenzungskennlinie. Diese beiden Begrenzungskennlinien sind bezüglich des Großsignalverhaltens Abregelkennlinien mit reinem Proportionalverhalten.

Wesentlich ist nun, daß keine Reglermanipulation eintritt, solange sich eine Mengen- oder Drehzahlabweichung im schraffierten Bereich, also zwischen den beiden Be*- grenzungskennlinien bewegt. Eine Steuerung des Reglers tritt jedoch bei einer zu großen Abweichung insoweit ein, als dann diese Abweichung auf eine der beiden Begrenzungen eingeengt wird'.

Figur 3b veranschaulicht das gewünschte Verhalten im . Falle eines Lastabwurfs bei der Brennkraftmaschine, wobei der Ausgangspunkt mit 30 markiert ist. Bei einem Lastsprung auf den Punkt 31 steigt die Drehzahl an, erreicht im Punkt 32 die obere Begrenzungslinie SO, läuft auf ihr entlang nach unten immer noch im Sinne einer größer werdenden Drehzahl und verläßt bei 33 wieder bei einem QK-Wert unterhalb des Zielpunktes 31 diese obere Begrenzungslinie, um spiralförmig letztlich den Zielpunkt zu erreichen.

Je näher nun diese obere Begrenzungslinie am Ausgangspunkt liegt, desto schneller erfolgt die Einregelung. Allerdings sind der Annäherung Grenzen gesetzt, z.B. aus Gründen der Stabilität und des Regelverhaltens. Fallen beide Begrenzungslinien zusammen, erhält man dasselbe instabile Verhalten wie bei einem P-Regler mit vergleichbarer Steilheit.

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Im Hinblick auf optimale Begrenzungslinien erweist es sich als zweckmäßig, wenn sie abhängig von Augenblicksdrehzahl und der Fahrpedalstellung (Solldrehzahl) sind.

Der Realisierung, des in Figur 3b dargestellten Signalverhaltens im Zusammenhang mit den Begrenzungslinien dienen die in Figur 1 dargestellten Kennfeldgeneratoren 23 und 24 mit den nachfolgenden Vergleichsstufen 25 und 26. In die beiden als Block dargestellten Kennfeldgeneratoren 23 und 24 sind Kennlinien eingezeichnet, deren Abregelung bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgt. Der Kerinfeldgenerator 23 stellt dabei die obere Begrenzungslinie SQ bereit, während der zweite Kennfeldgenerator die untere Begrenzungslinie SU liefert, überschreitet der Ausgangswert des Reglers 15 einen der beiden Ausgangssignalwerte der Kennfeldgeneratoren 23 und 24, dann schaltet entsprechend einer der beiden Schalter 28 und 29 und verbindet infolgedessen den Ausgang des betreffenden Kennfeldgenerators 23 oder 24 mit dem Steuereingang des Reglers 15· Auf diese Weise wird dann der jeweilige Kennfeldwert direkt in den Regler 15 eingespeist.

Ein Beispiel für einen steuerbaren PI-Regler 15 zeigt Figur 4. Sein Hauptbestandteil ist ein gegengekoppelter Verstärker 35 ₃ wobei im Gegenkopplungszweig eine Reihenschaltung von Kondensator 36 und Widerstand 37 liegt. Eingangsseitig ist noch ein Widerstana38 angeordnet. Arn nicht; invertierenden Eingang des Verstärkers 35 ist schließlich noch die Verbindungsstelle eines aus zwei Widerständen 39 und 4'0 bestehenden Spannungsteilers zwischen den Betriebsspannungsleitungen angeschlossen.

Die Ladung des Kondensators 36 (I-Anteil) des Reglers 15

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kann dadurch zu diskreten Zeitpunkten gesetzt oder geändert werdenj indem dem Kondensator 36 kurzzeitig ein festes Potential aufgeprägt wird. Dies erfolgt mittels einer über den Eingang 27 steuerbaren Spannungsquelle 41. Diese steuerbare Spannungsquelle 41 sorgt im Gegensatz zu einer möglichen steuerbaren Stromquelle nicht für eine Änderung der Integrationskonszeitkonstante, sondern definiert innerhalb kürzester Zeit (t —*- o) den Energiezustand des PI-Reglers.

Im Hinblick auf die aus Genauigkeitsgründen wünschenswerte Rechnersteuerung auch bei Dieselbrennkraftmaschinen kann die Programmierung in Anlehnung an das Flußdiagramm von Figur 5 erfolgen. Nach diesem Flußdiagramm wird in einem ersten Programmteil 45 aus einer bestimmten Fahrpedalstellung ein Drehzahlsollwert ermittelt, von dem in einem nachfolgenden Programmteil 46 ein rückgekoppelter Wert vom Reglerausgangssignal abgezogen wird. Es folgt eine Abfragestufe 47 entsprechend der Maximalwert-Auswahlstufe 13 von Figur 1, die einen kleiner werdenden Drehzahlsollwert (bedingt durch Stufe 46) auf den vorgegebenen Leerlaufdrehzahlsollwert begrenzt. Der PI-Regler 15 von Figur 1 entspricht einem Programmblock 48, in dem der Kraftstoffmengensollwert nach folgender Formel ermittelt wird:

Ts
QK = Kp . Δ η + ΤΓ'^>~<Δ η

Darin bedeuten Kp ein beliebiger konstanter Faktor _s Δ η die Augehbl'icksdrehzahlabweichung, Ts die Abt as t zeit, Ti die Integrationszeitkonstante.

Es folgen Programmteile 49 und 50 zur jeweiligen Bildung der oberen und unteren Begrenzungskennlinie SO und

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SU₁ Daran schließt sich eine Abfrageeinheit 51 ."bezüglich des unteren Grenzwertes an sowie eine weitere 52, um die nachfolgende Überwachung (Vergleichsstelle 53) mit der SO-Kennlinie bei Leerlaufdrehzahl auszuschalten. Schließlich können nicht dargestellte weitere Abfrage- und Begrenzungsprogrammteile hinzukommen.

Mit der beschriebenen elektronischen Reglereinrichtung für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung ist die Realisierung sehr steiler Kennlinien bei stabilem Regelverhalten möglich. Aus Stabilitätsgründen muß die Integrationsgeschwindigkeit 1/TI (Änderungsgeschwindigkeit der Reglerzustandsgröße) sehr klein gewählt werden. Dies bedeutet jedoch, daß bei einer schnellen Änderung von Betriebsparametern wie z,B. der Motorlast bei Lastabwurf oder Lastaufnahme für eine geraume Zeit die Mengenvorgabe, die vor der Änderung bestand, aufrechterhalten bleibt, bis sich der Reglerzustand dem neuen Betriebspunkt angepaßt hat. So besteht z.B. bei einem langsamen PI-Regler die Gefahr., daß bei Lastabwurf durch den Kraftstoffüberschuß die zulässige Drehzahl weit überschritten wird.

Wesentlichstes Merkmal der obenheschriebenen Erfindung ist nun, daß der Reglerzustand bzw. sein Ausgangssignal durch die obere und untere Begrenzungslinie zwangsgesteuert wird, wenn ein Mengensignal eine Begrenzungslinie über- oder unterschreitet. Aus diesem Grund wird mit der vorgeschlagenen Regeleinrichtung eine große Regelgeschwindigkeit bei gleichzeitiger ausgezeichneter Stabilität erreicht.

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Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

( !./Elektrische Regeleinrichtung für die Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung abhängig von wenigstens Drehzahl, Kraftstoffmenge und Fahrpedalstellung, mit einem wenigstens PI-Verhalten oder eine Rückkopplung aufweisenden PI-Regler sowie mit einer Vergleichsstufe für Augenblicks-Solldrehzahl und Leerlaufdrehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (15) abhängig von der jeweiligen Drehzahlabweichung steuerbar ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweiligen statischen Abregelkennlinie benachbarte Grenzkennlinien zugeordnet sind.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Reglers drehzahl- und/oder fahrpedalstellungsabhangig ist.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge-

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kennzeichnetj daß die Grenzkennlinen Kennfeldgeneratoren (23 und 2¹I) entnehmbar sind.
5.. Regeleinrichtung nach Anspruch 4₃ dadurch gekennzeichnet ₃ daß im Fall eines mit einer Verstärker-Kondensator-Kombination realisierten I-Reglers der Steuereingriff über eine wählbare Kondensatorspannung erreichbar ist.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungssignal vom Ausgang des Reglers (15) ableitbar ist und als proportionales Signal oder nach einer Kenhline einem Vergleichspunkt (12) vor dem Reglereingang zuführbar ist.

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