DE19732642C2 - Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 43 44 960 A1 bekannt. Die Brennkraftma­ schine hat einen Ansaugtrakt mit einem Drucksensor, der ei­ nen Ladedruck erfaßt, und mit einem Luftmassenmesser, der einen Luftmassenstrom erfaßt. Eine Aufladeeinrichtung hat einen Verdichter, eine Turbine und ein Bypass-Ventil in ei­ nem Bypassrohr, das die Turbine umgeht. Ein Regler ist vor­ gesehen, dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellgröße ein Signal zur Ansteuerung des Bypass-Ventils ist. Der Ladedruck verändert sich jedoch nur nach einer gro­ ßen Verzögerungszeit nach einem Beeinflussen des Bypass- Ventils. Demnach hat der Regler gerade im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine eine geringe Regelgüte.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen La­ dedruck auch in einem instationären Betrieb der Brennkraft­ maschine schnell und präzise einstellt.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängi­ gen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Kaskaden-Re­ geleinrichtung mit einem ersten Regler, dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellgröße der Luftmassen­ strom ist, und mit einem zweiten Regler, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und dessen Stellgröße auf ein Stell­ glied einwirkt, das einer Aufladeeinrichtung zugeordnet ist. Der zweite Regler regelt Abweichungen des Luftmassen­ stroms schnell aus, so daß die Regelabweichungen des er­ sten Reglers verringert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen­ den unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrich­ tung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Kaskaden-Regeleinrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungs­ form der Kaskaden-Regeleinrichtung.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaug­ trakt 1 mit einem Verdichter 10 und einem Motorblock 2, der einen Zylinder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden.

Des weiteren ist ein Zylinderkopf 3 vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaß­ ventil 30 und einem Auslaßventil 31. In den Zylinderkopf 3 ist ferner ein Einspritzventil 33 eingebracht, das derart ange­ ordnet ist, daß der Kraftstoff direkt in den Innenraum des Zylinders 20 zugemessen wird. Als Kraftstoff wird bevor­ zugt Diesel zugemessen, alternativ kann jedoch auch Benzin zugemessen werden. Wird als Kraftstoff Benzin verwendet, so ist zusätzlich eine Zündkerze in dem Zylinderkopf 3 an­ geordnet. Die Brennkraftmaschine ist in der Fig. 1 mit ei­ nem Zylinder dargestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zy­ linder umfassen.

Die Brennkraftmaschine umfaßt desweiteren einen Abga­ strakt mit einer Turbine 40, die mechanisch mit dem Ver­ dichter 10 gekoppelt ist. Ein Bypassrohr 41 ist mit dem Ab­ gastrakt stromaufwärts und stromabwärts der Turbine 40 verbunden. Ein Bypass-Ventil 42 ist in dem Bypassrohr 41 angeordnet. Statt des Bypassrohres mit dem Bypass-Ventil 42 kann auch ein Verstellantrieb 43 vorgesehen sein, durch den die Geometrie der Turbine 40 verstellbar ist. Dabei wer­ den beispielsweise die Schaufelräder der Turbine 40 ver­ stellt. Der Verdichter 10 kann alternativ auch mechanisch mit der Kurbelwelle 23 gekoppelt sein. Statt der Turbine 40 und dem Bypassrohr 41 oder dem Verstellantrieb 43 ist dann eine Bypassleitung zu dem Verdichter 10 vorgesehen, in der das Bypass-Ventil 42 angeordnet ist.

Eine Steuereinrichtung 5 für die Brennkraftmaschine ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und die jeweils den Meßwert der Meß­ größe ermitteln. Die Steuereinrichtung 5 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße ein oder mehrere Stellsi­ gnale, die jeweils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 61, der eine Pedalstellung PV eines Fahrpedals 6 erfaßt, ein Luftmassen­ messer 12, der einen Luftmassenstrom erfaßt, ein Drucksen­ sor 13, der einen Ladedruck erfaßt, ein Temperatursensor 14, der eine Ladelufttemperatur TAL erfaßt, ein Drehzahl­ geber 24, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt und einen weiteren Drucksensor 44, der den Abgasdruck in dem Abgastrakt 4 erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfin­ dung können eine beliebige Untermenge der genannten Sen­ soren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Betriebsgrößen umfassen die Meßgrößen sowie von die­ sen abgeleitete Größen, wie eine Abgastemperatur, die über einen Kennfeldzusammenhang oder von einem Beobachter ermittelt werden.

Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer Antrieb, ein elektromagnetischer Antrieb, mechanischer oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Einspritzventil 33, als das Bypass-Ven­ til 42 oder als der Verstellantrieb 43 zum Verstellen der Geo­ metrie der Turbine ausgebildet.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise als elektronische Notorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Kaskaden-Regel­ einrichtung dargestellt, die in der Steuereinrichtung 5 ange­ ordnet ist. In einem Block 50 wird ein Sollwert MAP_SP des Ladedrucks abhängig von dem Pedalwert PV der Dreh­ zahl N und der Ladelufttemperatur TAL ermittelt. Dazu ist vorzugsweise ein Kennfeld vorgesehen, in dem Werte der Sollwerte MAP_SP abhängig von dem Pedalwert und/oder der Drehzahl N und/oder der Ladedrucktemperatur TAL ab­ gespeichert sind.

Ein erster Regler 51 hat als Regelgröße den Ladedruck. Der erste Regler 51 ermittelt abhängig von der Differenz des Sollwertes NAP_SP und des Istwertes NAP_AV des Lade­ drucks einen Sollwert MAF_SP des Luftmassenstroms. Der erste Regler 51 ist vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet und ist somit einerseits schnell andererseits auch stationär genau.

Ein zweiter Regler 52 ist vorgesehen, dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist. Der zweite Regler 52 ermittelt ab­ hängig von der Differenz des Sollwertes MAF_SP und des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms einen Öffnungs­ grad des Bypass-Ventils oder in einer anderen Ausführungs­ form einen Anstellwinkel der Schaufeln der Turbine 40. Der zweite Regler 52 ist vorzugsweise als P- oder PD-Regler ausgebildet.

Ein Modulator 53 ist vorgesehen, der ein Spannungssi­ gnal U_PWN abhängig von dem Öffnungsgrad OG pulswei­ tenmoduliert.

Der Istwert NAF_AV des Luftmassenstroms ändert sich in einem instationären Betriebszustand zuerst schneller als der Istwert MAP_AV des Ladedrucks. Der zweite Regler 52 kann somit bereits früher eine Regelabweichung ausregeln, so daß der erste Regler nur noch eine geringere Regelabwei­ chung ausregeln muß.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ermittelt der zweite Regler 52 einen Sollwert BP-SP des Abgas­ drucks. Die Regelgröße eines dritten Reglers 54 ist der Ab­ gasdruck. Der dritte Regler 54 ermittelt den Öffnungsgrad OG des Bypass-Ventils oder einen Anstellwinkel der Schau­ feln der Turbine 40 abhängig von der Differenz des Sollwer­ tes BP_SP und des Istwertes BP_AV des Abgasdrucks. Der dritte Regler ist vorzugsweise als P- oder PD-Regler ausge­ bildet. Die Kaskaden-Regeleinrichtung gemäß Fig. 3 ge­ währleistet eine besonders hohe Regelgüte, da der Abgas­ druck unmittelbar die Leistung der Turbine 40 beeinflußt.

Kennfelder sind durch stationäre Messungen an einem Motorprüfstand oder durch Fahrversuche ermittelt.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Aus­ führungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Kas­ kaden-Regeleinrichtung auch noch weitere Regler umfas­ sen. Die Parameter der Regler 51, 52, 54 können alternativ auch abhängig von der Drehzahl N sein. Hat die Brennkraft­ maschine eine Aufladeeinrichtung deren Verdichter mecha­ nisch mit der Kurbelwelle 23 gekoppelt ist, so ist die Regel­ größe des zweiten oder dritten Reglers 52, 54 vorzugsweise die Drehzahl N.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine

• - mit einem Drucksensor (13) in einem Ansaug­ trakt (1) zum Erfassen eines Ladedrucks,
• - mit einem Luftmassenmesser (12) zum Erfas­ sen eines Luftmassenstroms,
• - mit einer Aufladeeinrichtung, der ein Stellglied zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß sie eine Kaskaden-Regeleinrichtung hat mit einem ersten Regler (51), dessen Regelgröße der Ladedruck ist und dessen Stellgröße der Luft­ massenstrom ist, und mit einem zweiten Regler (52), dessen Regelgröße der Luftmassenstrom ist und dessen Stellgröße auf das Stellglied einwirkt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellgröße des zweiten Reglers (52) ein Abgasdruck ist und daß die Kaskaden-Regelein­ richtung einen dritten Regler (54) hat, dessen Regel­ größe der Abgasdruck ist und dessen Stellgröße auf das Stellglied einwirkt.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler (51) ein Proportional-Integral-Regler ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reg­ ler (52) ein Proportional-Regler ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwert (MAP_SP) des Ladedrucks abhängig von einer Pedal­ stellung (PV) eines Fahrpedals und der Drehzahl (N) ermittelt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ladedruck zusätzlich abhängig von der Ladelufttemperatur (TAL) ermittelt wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stellglied zur Variation der Geometrie einer Tur­ bine in der Aufladeeinrichtung ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Bypass-Ventil (42) in einem Bypassrohr (41) ist.