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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Regleranordnung
sowie ein Computerprogramm zur Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer Brennkraftmaschine
auf eine Führungsgröße.
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Schwere
Fahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, werden häufig mit einer so genannten
Motorbremse ausgestattet, um bei lang andauernden Bremssituationen
eine Überhitzung
und Verschleiß an
den mechanischen Radbremsen zu verringern bzw. zu vermeiden. Im
Stand der Technik sind mehrere Ausführungen der Motorbremse bekannt,
z. B. ein variabler Ventiltrieb bzw. ein Dekompressionsventil, um
komprimierte Luft aus den Zylindern einer Brennkraftmaschine auszublasen,
bevor die gespeicherte potentielle Energie wieder in Bewegungsenergie
umgewandelt wird. Weiter bekannt im Stand der Technik ist eine Drosselklappe
im Abgasstrang der Brennkraftmaschine, um den Abgasgegendruck zu erhöhen, die
Brennkraftmaschine arbeitet dann als Pumpe gegen den Abgasdruck.
Schließlich
kann bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie der Abgasgegendruck
durch eine geeignete Ansteuerung des Laders erhöht werden.
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Zur
Betätigung
der Motorbremse ist jeweils ein Steller notwendig. Dieser kann nicht
beliebig schnell positioniert werden. Wenn nach aktivierter Motorbremse
die Brennkraftmaschine wieder befeuert wird, kann es insbesondere
bei einer Drosselklappe und einem Turbolader mit variabler Turbinengeometrie
zu unerwünscht
hohen Abgasdrücken
im Auslasstrakt kommen. Zu hohe Druckspitzen können dabei zur Zerstörung der
Brennkraftmaschine oder von Komponenten im Abgasstrang der Brennkraftmaschine
führen.
Insbesondere kann es zu einer Zerstörung von Dichtungen im Abgasstrang
oder der Beschädigung
der Drosselklappe führen,
des Weite ren können
durch zu hohe Abgasgegendrücke
die Auslassventile geöffnet
werden und mit den Kolben kollidieren, und es kann bei Turboladern
mit variabler Turbinengeometrie zu einer Zerstörung des Turboladers durch
eine Überdrehzahl
des Läufers
kommen.
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Probleme des
Standes der Technik
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Um
einen zu schnellen Anstieg des Abgasstroms und damit des Abgas(gegen)drucks
zu vermeiden bis die Motorbremse vollständig deaktiviert ist, wird
bei Motorbremsen nach Stand der Technik die Drehmomentanforderung
des Fahrers verzögert. Die
Verzögerung
der Drehmomentanforderung des Fahrers bedeutet, dass auch bei kleinen
Fahrervorgaben, die keine unzulässig
großen
Abgasströme
zur Folge haben, das Fahrverhalten beeinträchtigt wird, da es zwischen
der Betätigung
der Motorbremse und der Vorgabe eines neuen Fahrerwunschmomentes generell
zu einem verzögerten
Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine kommt.
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Vorteile der Erfindung
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Offenbarung der Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer Brennkraftmaschine
auf eine Führungsgröße, wobei abhängig von
mindestens einer physikalischen Größe im Abgasstrang der Brennkraftmaschine
ein Maximalwert für
die Führungsgröße gebildet
wird und die Führungsgröße auf diesen
Maximalwert begrenzt wird. Eine erste physikalische Größe ein vorzugsweise
der Ist-Wert eines Abgasdruckes. Der Abgasdruck ist vorzugsweise
der gemessene oder modellierte statische Druck oder Gesamtdruck
stromauf eines Strömungselementes.
Eine zweite physikalische Größe ist bevorzugt
die Ist-Drehzahl eines Turboladers. Die Führungsgröße kann ein Drehmoment und/oder
eine Einspritzmenge und/oder eine Drehzahl der Brennkraftmaschine
sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Maximalwert für die Führungsgröße als Funktion
von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gebildet wird. Die
Funktion kann auch als Kennfeld in einem Steuergerät abgelegt sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebsparameter Werte der
Ist-Drehzahl und/oder der Soll-Drehzahl
und/oder des Ist-Momentes und/oder des Soll-Momentes und/oder der
Ist-Einspritzmenge und/oder
der Soll-Einspritzmenge umfassen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, anhand des zulässigen
Abgasdrucks eine Begrenzung der leistungsbestimmenden Führungsgröße, z. B.
Einspritzmenge, Drehmoment, zu bestimmen und als Komponentenschutz äquivalent
anderer Führungsgrößenbegrenzungen,
z. B. der Rauchgrenze, zu koordinieren. Neben der Begrenzung des
Fahrerwunsches können
auch Drehzahlregelungen, z. B. durch den Leerlaufregler, Arbeitsdrehzahlregler
und dergleichen, keine unerwünscht
hohen Abgasströme erzeugen.
Da die Drehmomentbegrenzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur wirksam
wird, wenn eine Beschädigung
der Brennkraftmaschine oder eine Beschädigung von Anbauaggregaten
droht, kommt es nur bei Drehmomentanforderungen, die auf eine Beschädigung hinauslaufen,
zu bei einer Beeinträchtigung
des Fahrkomforts durch eine Abweichung des tatsächlich bereitgestellten Momentes
der Brennkraftmaschine vom Fahrerwunschmoment. Zudem können durch
die erfindungsgemäße Begrenzung
auch stationär
unzulässig
hohe Abgasströme ausgeschlossen
werden, insbesondere kann gleichzeitig die Motorbremse und das Fahrpedal
betätigt werden
oder mit der Motorbremse ein Unterbremsen des Leerlaufreglers realisiert
werden. Im Fall der bekannten Lösung
ist ein stationärer
Komponentenschutz nicht gewährleistet,
da die Fahrervorgabe nur verzögert
wird und nach der Verzögerungszeit
ohne jede Begrenzung umgesetzt wird.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch Regleranordnung zur
Regelung einer Ist-Ausgangsgröße einer
Brennkraftmaschine auf eine Führungsgröße, wobei
abhängig
von mindestens einer physikalischen Größe im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine
ein Maximalwert für
die Führungsgröße gebildet
wird und die Führungsgröße auf diesen
Maximalwert begrenzt wird sowie ein Computerprogramm mit Programmcode
zur Durchführung aller
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn
das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Skizze einer Brennkraftmaschine als Regelstrecke;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Teils eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Teils eines erfindungsgemäßen Regelkreises;
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1 zeigt
eine Skizze einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 1,
in dem ein Kolben 2 in einem Brennraum 7 hin und
her beweglich gelagert ist. Der Kolben 2 ist über eine
Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden.
Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 2 werden in eine
Drehbewegung mit der Drehzahl n und dem Drehmoment M der Kurbelwelle 4 umgewandelt.
Der Zylinder 1 steht hier stellvertretend für einen
oder eine Mehrzahl von Zylindern einer Brennkraftmaschine in beliebiger
Bauform. Die Brennkraftmaschine umfasst einen Ansaugtrakt 5 sowie
einen Abgasstrang 6. Der Abgasstrang 6 umfasst
einen Motorauslass 26, der über einen Abgaskrümmer 8 mit
einem Strömungselement, hier
einem Drosselventil 9, verbunden ist. Das Drosselventil 9 ist über einen
Auspuff 10 und gegebenenfalls weitere Strömungselemente,
die hier nicht dargestellt sind, wie z. B. Abgaskatalysatoren, weitere Turboladerstufen
oder dergleichen, mit der Umgebung verbunden.
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Das
Drosselventil 9 als Strömungselement im
Abgastrakt der Brennkraftmaschine kann beispielsweise ein regelbarer
Turbolader, insbesondere ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie,
oder eine regelbare Drossel, beispielsweise eine regelbare Drosselklappe,
sein. Das Drosselventil 9 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erhöhung
des Abgas(gegen)-Drucks am Motorauslass 7. Durch die Erhöhung des
Abgasdrucks soll die durch die Brennkraftmaschine abgegebene Leistung
verringert werden, im Idealfall auf einen negativen Wert, so dass
die Brennkraftmaschine im Schleppbetrieb arbeitet. Diese Funktion
wird auch als Motorbremse bezeichnet.
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Leistung
P und Drehzahl n der Brennkraftmaschine werden über die je Einspritzvorgang
eingespritzte Kraftstoffmenge Q geregelt, dazu erfolgt zum einen
eine Regelung der zugeführten
Luftmenge L und zum anderen eine Regelung der zugeführten Kraftstoffmenge
Q. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird von einem Dieselmotor ausgegangen, grundsätzlich kommen hier aber auch
andere Ausführungsformen,
wie z. B. Ottomotoren, in Frage. Führungsgröße zur Regelung von Drehzahl
und Leistung der Dieselbrennkraftmaschine ist das angeforderte Drehmoment
Msoll, woraus die eingespritzte Kraftstoffmenge
Q bestimmt wird. Diese wird von einem Steuergerät 11 gesteuert bzw.
geregelt. Geregelt insofern, als dass eine Soll-Drehzahl nsoll und das Soll-Moment Msoll vorgegeben
werden, und die Ist-Drehzahl nist sowie
das Ist-Moment Mist durch einen Regler auf
die Soll-Werte geregelt werden. Die Einspritzeinrichtung ist in 1 nicht
dargestellt, hier ist lediglich durch einen Pfeil mit der Bezeichnung
Q der Einspritzvorgang als solcher schematisch dargestellt. Stromauf
der Drossel 9 wird der Druck p3 sowie der
Massendurchfluss ṁA3 ermittelt.
Dies kann beispielsweise durch einen Drucksensor zur Messung des
statischen Drucks geschehen, wobei der Massendurchsatz beispielsweise
auch durch Messung der Luftmasse im Ansaugtrakt 5 und die
Bestimmung der Einspritzmenge Q erfolgen kann, da für die Brennkraftmaschine
selbstverständlich
der Massenerhaltungssatz gilt. Ebenso ist es aber möglich, den Druck
p3 stromauf des Drosselventils 9 sowie
den Massendurchsatz ṁA3 (d/dt (mA3)) mittelbar über den Betriebszustand der
Brennkraftmaschine anhand eines Modells, das in einem Steuergerät abgelegt
ist, zu bestimmen, beispielsweise durch Beobachtung von Drehzahl
n, Drehmoment M sowie eingespritzter Kraftstoffmenge Q und Stellung
St des Steuergliedes 12 der Drossel 9.
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Das
Drosselventil 9 ist hier schematisch dargestellt, wobei
das Stellglied zur Regelung der Ventilstellung das Bezugszeichen 12 hat.
Bei einer regelbaren Drosselklappe ist das Stellglied 12 beispielsweise
die Klappe selbst, bei einem regelbaren Turbolader können dies
beispielsweise verstellbare Schaufeln sein.
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Handelt
es sich bei der regelbaren Drosselstelle 9 um einen Turbolader,
so kann zusätzlich
beispielsweise dessen Drehzahl nT gemessen
werden und dem Steuergerät 11 zur
Verfügung
gestellt werden.
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2 zeigt
eine Skizze eines Reglers für eine
Brennkraftmaschine. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Führungsgröße W das
Soll-Moment Msoll der Brennkraftmaschine
ist und die Regelgröße X das
von der Brennkraftmaschine 13 abgegebene Drehmoment trq
ist. Stellgröße für die Brennkraftmaschine 13 ist
die mit jedem Einspritzvorgang eingespritzte Kraftstoffmenge Q.
Diese wird durch ein Koordinationsglied 14 zur Bestimmung
der Einspritzmengen Q aus einem Moment MST zur
Steuerung der Einspritzmenge Q ermittelt. Das Steuerungsmoment MST wird durch Subtraktion der modifizierten
Führungsgröße W, die
modifizierte Führungsgröße ist in 2 als
W' bezeichnet, und
der modifizierten Regelgröße X, diese
ist in 2 als X' bezeichnet,
gebildet.
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Die
Regelanordnung in 2 zeigt einen klassischen geschlossenen
Regelkreis, wobei die Brennkraftmaschine 13 die Regelstrecke
darstellt, das Koordinierungsglied für die Einspritzung 14 der Regler
ist und X bzw. X' die
Regelgröße sowie
W bzw. W' die Führungsgröße sind.
Der Unterschied zwischen X und X' besteht
darin, dass die modifizierte Regelgröße X' durch eine Begrenzung aus der Regelgröße X hervorgeht,
die Regelgröße X also
mit einer Begrenzung auf einen Maximalwert rückgeführt wird. In der Rückführung der
Regelgröße X ist
ein Begrenzer 15 angeordnet, der das Minimum aus diversen
Momentenbegrenzungen als Begrenzungsmoment MLim liefert. Hier können beispielsweise
eine Rauchbegrenzung MR, ein Überhitzungsschutz
MH und dergleichen als begrenzende Momente
eingehen. Erfindungsgemäß geht hier
nun zusätzlich
ein begrenzendes Moment MP3 ein, das aus
dem Druck p3 am Motoraustritt bzw. stromauf
des Drosselventils 9 sowie dem Massendurchfluss ṁA3 durch die Brennkraftmaschine 13 ermittelt
wird. Aus dem Druck p3 bzw. dem Massendurchsatz ṁA3 wird durch ein Druckbegrenzungsmodul 16 betriebspunktabhängig die
Momentenbegrenzung Mp3 ermittelt und auf
den Begrenzer 15 parallel zu den anderen Momentenbegrenzungen
aufgeschaltet. Die Betriebspunktabhängig bedeutet hier insbesondere,
dass in die Bestimmung der Momentenbegrenzung Mp3 zusätzlich Parameter
wie Ist-Drehzahl nist Soll-Drehzahl nsoll, Ist-Moment Mist,
Soll-Moment Msoll, Ist-Drehzahl nT-ist eines
Turboladers, Soll-Drehzahl nT-soll eines
Turboladers, Ist-Einspritzmenge
Qist Soll-Einspritzmenge Qsoll und
dergleichen eingehen können.
Die Momentenbegrenzung Mp3 als Maximalwert
der Führungsgröße W wird
als Funktion der Parameter gebildet, MP3 =
f(n, Q, ṁA3, p3 ...), die als Funktion
oder als Kennfeld in einem Steuergerät abgelegt sind. Da die Momentenbegrenzung
auf Mp3 insbesondere im transienten Übergang
vom Schubbetrieb (abgegebenes Moment der Brennkraftmaschine kleiner
oder gleich null) der Brennkraftmaschine auf den antreibenden Betrieb
(abgegebenes Moment der Brennkraftmaschine größer null) wirksam wird können als Sollwerte
von Soll-Drehzahl nsoll, Soll-Moment Msoll, , Soll-Drehzahl nT-soll eines
Turboladers und Soll-Einspritzmenge Qsoll die
Werte nach Übergang
in den antreibenden Betrieb verwendet werden, die Ist-Werte von
Ist-Drehzahl nist, Ist-Moment Mist Ist-Drehzahl
nT-ist eines Turboladers, Ist-Einspritzmenge
Qist können während des Übergangs
laufend neu bestimmt werden.
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Der
Ausgang des Begrenzers 15 ist mit dem Eingang eines weiteren
Begrenzers 25 verbunden, an dem des Weiteren das Signal
eines Drehzahlreglers 17 (als Moment) anliegt. Der Ausgang
des weiteren Begrenzers 25 ist an eine Additionsstelle 18 mit negativem
Vorzeichen gelegt. Der Ausgang des weiteren Begrenzers 16 ist
des Weiteren an eine Additionsstelle 19 mit nega tivem Vorzeichen
gelegt, wobei an die Additionsstelle 19 des Weiteren der
Ausgang des Begrenzers 15 mit positivem Vorzeichen gelegt ist.
Diese Differenz ist auf einen dritten Begrenzer 20, an
den ebenfalls die Führungsgröße W, dies
ist das Fahrer-Wunschmoment Mw, gelegt ist.
Der Ausgang des dritten Begrenzers 20 ist über einen
Führungsformer 21 mit
positivem Kennzeichen auf die Additionsstelle 18 gelegt.
Der Führungsformer
bildet ein Signal an seinem Eingang a auf ein Signal b an seinem
Ausgang als Funktion b = f(a) ab.
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3 zeigt
einen Teil eines Regelkreises für eine
Brennkraftmaschine mit einem regelbaren Turbolader als Drosselventil 9.
Der Turbolader umfasst eine Möglichkeit
zur Messung der Turbolader-Ist-Drehzahl n_ist. Für den Turbolader des Weiteren
bekannt ist die zulässige
Drehzahl n_zul. Aus beiden Angaben wird nun das Begrenzungsmoment MLim ermittelt. Die Differenz aus der zulässigen Drehzahl
n_zul und der Ist-Drehzahl n_ist des Turboladers wird mit einem
Subtrahierer 22 voneinander subtrahiert und auf den Eingang
eines PID-Reglers 23 gelegt. Dessen Ausgang ist mittels
eines Begrenzers 24 begrenzt und liefert das Begrenzungsmoment
MLim. Auf den Begrenzer 24 ist
als Minimalgröße MN im vorliegenden
Fall der Wert null aufgeschaltet, als Maximalwert MX ist das Minimum
aus diversen weiteren Begrenzungsmomenten wie dem Rauchlimit M_Rauch_Lim,
einer Temperaturbegrenzung M_Temp_Lim, einer maximalen Drehmomentbegrenzung
M_Trq_Lim und einer Momentenbegrenzung zur Verhinderung von Defekten
M_Defekt_Lim aufgeschaltet. Das am Ausgang des Wirkungsplanes gemäß 3 anliegende
Begrenzungsmoment M_P3 entspricht dem am Ausgang des Begrenzers 15 in 2 anliegenden
Begrenzungsmoment. Der gesamte Strang bestehend aus Begrenzer 15 und Begrenzer 16 in 2 kann
also durch den Teilregler gemäß 3 ersetzt
werden.
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4 zeigt
eine alternative Gestaltung des Druckbegrenzungsmoduls 16 des
Regelkreises. Hier wird davon ausgegangen, dass die Ansteuerung
der Drossel 9 nicht durch die Motorsteuerung vorgenommen
wird, sondern durch einen eigenständigen Schalter, von dem einzig
die Schalterstellung im Motorsteuergerät bekannt ist. In diesem Fall
wird der Maximaldruck rampenartig aufgeschaltet.
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Der
Schaltungsteil der 4 ersetzt in 2 das
Druckbegrenzungsmodul 16. Beim Aktivieren der Motorbremse
wird ausgehend vom aktuellen Begrenzungswert (Ausgang MN-Glied in 4)
der Begrenzungswert für
aktivierte Motorbremse (M_P3_MIN) rampenförmig auf den Ausgang des Druckbegrenzungsmoduls 16 (M_P3_Lim1)
aufgeschaltet. Beim Deaktivieren der Motorbremse wird ausgehend
vom aktuellen Begrenzungswert (M_P3_Lim1) der Begren zungswert für deaktivierte Motorbremse
(M_P3_MAX) rampenförmig
auf den Ausgang des Druckbegrenzungsmoduls 16 (M_P3_Lim1)
aufgeschaltet.