DE3906083A1 - Einrichtung zum steuern und regeln einer dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Einrichtungen dieser Art sind in einer Vielzahl bekanntge­ worden, wobei nur beispielsweise auf die DE-A 31 22 553 ver­ wiesen wird.

Im Zusammenhang mit derartigen Einrichtungen sind auch ver­ schiedene Lösungen bekannt, die sich auf eine Begrenzung des Rauchausstoßes beziehen, wobei zu diesem Zweck verschiedene Betriebsgrößen, insbesondere die Drehzahl, die Brennstoff­ temperatur sowie Druck und Temperatur der angesaugten Luft als Eingangsgrößen eines Rauchkennfeldes die jeweils maximal zulässige Rauchzahl festlegen (DE-A 28 20 807).

Eine adaptive Regelung der bei Vollast auftretenden, durch Ruß hervorgerufenen Abgastrübung ist aus der DE-AS 36 38 474 bekanntgeworden. Hierbei wird mit einem Rußsensor auf elektro­ optischer Grundlage der Rußanteil in den Abgasen festgestellt. Falls der Rußsensor einen zu hohen Rußteil feststellt, wird in einer Vorrichtung zur Verstellung der Vollasteinspritz­ menge diese Menge in kleinen Schritten reduziert, bis die vorgegebene Rauchzahl wieder erreicht ist. Auch kann bei Un­ terschreiten der vorgegebenen Rauchzahl wieder eine schritt­ weise Erhöhung der Vollasteinspritzmenge erfolgen, bis die vorgegebene Rauchzahl erreicht ist. Eine Regelung in Abhän­ gigkeit von der Drehzahl oder anderer Betriebsparametern ist in diesem Dokument nicht beschrieben.

Eine adaptive Regelung einer Brennkraftmaschine unter Zuhilfe­ nahme von Kennfeldern, deren Werte entsprechend den aktuellen Betriebsbedingungen des Motors modifiziert werden, geht z. B. aus den DE-A 34 08 215, 35 39 395 und 36 03 137 hervor.

Ziel der Erfindung ist es, eine Regelung für einen Dieselmo­ tor zu schaffen, deren Ausgangspunkt zwar in erster Linie die Ist-Drehzahl ist, die jedoch auch den Rußanteil in den Abgasen berücksichtigt und für eine unterschiedliche Be­ triebsbedingungen angepaßte Vollastbegrenzung sorgt. Beson­ dere Berücksichtigung soll hierbei der Umstand erfahren, daß die Rußmessung und -auswertung aus physikalischen Gründen verzögert erfolgt, beispielsweise deshalb, weil die Messung in der Abgasleitung, in einer bestimmten Entfernung von den Auslaßventilen, durchgeführt wird.

Das Ziel der Erfindung läßt sich mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art erreichen, die gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet ist.

Die Erfindung ermöglicht eine Vollastbegrenzung bei optimaler Ausnutzung der Motorleistung und Berücksichtigung des maximal zulässigen Rußwertes, wobei auch Fertigungstoleranzen und insbesondere Alterungserscheinungen einem Ausnützen der Mo­ torleistung bis an die Rauchgrenze nicht entgegenstehen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung samt ihren Vorteilen ist im folgenden an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Ablauf der Berechnungsvorgänge in einer Einrichtung nach der Erfindung und

Fig. 3 und 4 diesen Ablauf in Struktogrammen und

Fig. 5 eine Variante der Erfindung in einem Ausschnitt eines Blockschaltbildes gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Dieselmotor 1 mit einer Ein­ spritzpumpe 2, deren Regelstange in bekannter Weise elektro­ mechanisch, einem Signal RW entsprechend, verstellt werden kann. Zur Regelung des Motors 1 ist ein Basisregler 3 vorge­ sehen, der in Abhängigkeit von zugeführten Betriebsgrößensig­ nalen ein Regelstangenansteuersignal RW _B berechnet. Die we­ sentlichen Betriebsgrößensignale sind ein von einem Drehzahl­ geber 4 stammendes Drehzahlsignal n sowie ein von einem Fahrpedal-Stellungsgeber 5 stammendes Fahrpedalsignal f. Bei der Berechnung des Ansteuersignales RW _B können noch weitere Betriebsgrößen, wie z. B. die Motortemperatur, der Luftdruck etc. berücksichtigt werden, was durch Sensoren 6 angedeutet ist.

Um bei der Regelung des Motors 1 eine Vollastbegrenzung zu erreichen, die den tatsächlich auftretenden Rußwert oder Ab­ gaswert berücksichtigt, ist in bzw. an der Abgasleitung 7 des Motors 1 ein Ruß- bzw. Abgassensor 8 vorgesehen, der, bei­ spielsweise durch optische Trübungsmessung oder durch andere langsamere Meßverfahren, mittels einer Sensorauswertung 9 ein dem Istwert des Ruß- oder ganz allgemein des Abgaswertes entsprechendes Signal AG _i erzeugt.

Wie weiter unten im Detail beschrieben, beeinflußt der im Be­ trieb laufend ermittelte Abgaswert AG _i ein maximal zulässiges Ansteuersignal RW _M für die Regelstange. Das im Basisregler 3 berechnete Ansteuersignal RW _B und das maximal zulässige An­ steuersignal RW _M werden einer Minimalwertauswahlstufe 10 zugeführt. Dies hat zur Folge, daß die Regelung des Motors 1 normal vor sich geht, solange das berechnete Ansteuersignal RW _B kleiner ist, als das im jeweiligen Augenblick vorliegen­ de, maximal zulässige Ansteuersignal RW _M ist. Andernfalls tritt eine Begrenzung auf, d. h. RW = RW _M . Die Auswahlstufe 10 enthält einen Speicher 10′ und ist, zusammen mit diesem Speicher dazu eingerichtet, ein Statussignal S abzugeben, welches anzeigt, ob die Begrenzung zur Zeit t _M wirksam war oder nicht.

Im folgenden wird erläutert, wie das maximal zulässige An­ steuersignal RW _M erfindungsgemäß gewonnen wird. Ein Ausgangs­ punkt ist hierbei, daß der Abgassensor 8 bzw. die Sensoraus­ wertung 9 eine Meßverzögerung Δ t aufweist, somit, bezogen auf den Zeitpunkt tv des Sollwertvergleiches ein Abgassignal AG _i (tv - Δ t) vorliegt. Diese Meßverzögerung ist systembe­ dingt und durch einen oder mehrere der folgenden Faktoren verursacht: Laufzeit der Abgase bis zum Sensor, Ansprechzeit des Sensors, Dauer der Auswertung in der Sensorauswertung.

Das Abgassignal AG _i wird einem Subtrahierglied 11 zugeführt, dem als zweites Signal ein maximaler Soll-Abgaswert AG _MS zugeführt wird. Dieser Wert kann im einfachsten Fall kon­ stant sein und in einem Sollwertspeicher abgelegt sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der maximale Soll- Abgaswert AG _MS (t _M ) jedoch in einem Sollwertkennfeld 12 erzeugt, und zwar in Abhängigkeit von Betriebsgrößen, wie zumindest von der mittleren Drehzahl (t _M ), die um die Meßtotzeit Δ t zurückliegen und in einem Speicher 13 abgelegt werden. Dieser Speicher 13 ist in Fig. 1 als Teil des Basis­ reglers 3 eingezeichnet, doch es soll klar sein, daß die Aufteilung in Blöcke bloß dem besseren Verständnis dient. Tatsächlich ist die Einrichtung nach der Erfindung größten­ teils softwaremäßig in einem oder mehreren Mikrocomputern realisiert. Werden dem Sollwertkennfeld 12 nicht nur die mittlere Drehzahl (t _M ) sondern weitere Betriebsgrößen, wie z. B. die Motortemperatur zum Zeitpunkt (t _M ) zuge­ führt, so liegt an Stelle eines zweidimensionalen ein mehr­ dimensionales Kennfeld vor.

Das Ausgangssignal Δ AG = AG _MS - AG _i des Subtrahiergliedes 11 wird einer Regeleinheit 14′ zugeführt, die in Fig. 1 zusammen mit dem Subtrahierglied 11 als Begrenzungsregler 14 ausge­ bildet ist. Als weitere Informationen enthält dieser Begren­ zungsregler 14 bzw. die Regeleinheit 14′ noch das bereits erwähnte Statussignal S. In Abhängigkeit von diesen Signalen gibt der Begrenzungsregler in weiter unten näher beschriebe­ ner Weise ein Korrektursignal Δ RW für ein adaptives Kennfeld 15 ab.

Dieses adaptive Kennfeld 15 ist im Prinzip ein Speicher für arbeitspunktabhängige Werte des maximal zulässigen Ansteuer­ signals RW _M , wobei diese Werte der jeweiligen Abgassituation angepaßt, somit geändert werden können. Beispielsweise Aus­ führungen adaptiver Kennfelder gehen aus den drei eingangs genannten Literaturstellen hervor.

Zur Synchronisation des Ein- und Auslesens werden dem Kenn­ feld 15 seitens des Basisreglers Strobesignale sync-in und sync-out zugeführt. Weiters erhält das Kennfeld 15 Arbeits­ punktvektorsignale AP (to) bzw. AP (t _M ), die im einfachsten Fall Signale der mittleren Drehzahl (to) bzw. (t _M ) sind, jedoch auch weitere Betriebsgrößensignale enthalten können, welche z. B. für die Motortemperatur, den Luftdruck, den Ladedruck etc. repräsentativ sind. Das Arbeitspunkt­ vektorsignal AP (t _M ) steht in dem Speicher 13 für um die Meß­ totzeit Δ t zurückliegende Betriebsgrößenwerte zur Verfügung; es wird zum richtigen Einlesen des Korrektursignales Δ RW benötigt.

Ohne Berücksichtigung der adaptiven Eigenschaften des Kenn­ feldes 15 steht somit je nach dem augenblicklich vorliegenden Arbeitspunktvektor AP (to) ein ganz bestimmtes, maximal zu­ lässiges Ansteuersignal RM _M für die Begrenzung zur Verfügung.

Ergibt nun der im Subtrahierglied 11 bzw. im Begrenzungsre­ gler 14′ erfolgende Vergleich des Abgaswertes AG _i mit dem Abgassollwert AG _MS , wobei zu beachten ist, daß der Zeit t _M zugehörige Werte miteinander verglichen werden, daß der Ist­ wert größer als der Sollwert ist, d. h. daß Δ AG < 0, so for­ dert der Begrenzungsregler 14 eine Verkleinerung des ent­ sprechenden Kennfeldwertes im Kennfeld 15 an, indem er Δ RW = -c setzt (c ist eine vorgegebene konstante Größe), so daß der entsprechende Kennfeldwert um diese Größe verringert wird.

Falls hingegen der Istwert kleiner als der Sollwert, somit AG < 0 ist, was bedeutet, daß die Begrenzung zu niedrig ge­ wählt ist, fordert der Begrenzungsregler 14 eine Erhöhung des entsprechenden Kennfeldwertes an, indem er Δ RW = +c setzt, allerdings nur, falls gemäß dem Statussignal S (t _M ) die Begrenzung zur Zeit t _M aktiv war. Falls dies nicht der Fall war, gibt der Begrenzungsregler 14 keinen Korrek­ turwert aus, d. h. Δ RW = 0.

Es ist zu erwähnen, daß der Begrenzungsregler 14 beispiels­ weise auch dazu eingerichtet sein kann, ein Korrektursignal Δ RW abzugeben, das der Differenz Δ AG proportional ist.

Der Ablauf der Berechnungen ist in den Fig. 3 und 4 in Struktogrammen und überdies in Fig. 2 in einem Zeitdiagramm dargestellt. In dem Struktogramm ist hierbei angenommen, daß als Betriebsgröße für die Ermittlung des maximal zulässigen Abgaswertes AG _MS einerseits und für die Ansteuerung des adaptiven Kennfeldes andererseits nicht nur die mittlere Drehzahl n sondern auch die Motortemperatur 9 herangezogen wird.

Die Aufteilung in zwei Struktogramme einer Rechner-Ebene A und einer Rechner-Ebene B ist so zu verstehen, daß die ei­ gentliche Regelung des Motors im Basisregler 3 mit hoher Priorität durchgeführt wird, wogegen die Abgasbehandlung und ebenso verschiedene andere Berechnungen, wie beispielsweise eine Zylindergleichregelung mit niedriger Priorität durchge­ führt werden.

Der Funktionsablauf geht, in anderer Darstellung, auch aus dem Diagramm nach Fig. 2 hervor. Dieser Ablauf beginnt zu einem beliebigen Zeitpunkt t _-3. Der Basisregler (Rechner-Ebene A) liest die Meßwerte ein, die er zur Regelung benötigt und stellt den Arbeitspunktvektor von t _-3 zur Verfügung (INPUT). Der Arbeitspunkt AP (t _-3) wird im Speicher 13 abge­ legt. Die dort abgelegten Werte werden später für die An­ steuermessung des Sollwertkennfeldes 12 und des adaptiven Kennfeldes 15 benötigt.

Andererseits wird kurz nach dem Zeitpunkt t _-3 wenn auf Rechner-Ebene A der Schritt BEGRENZUNG durchgeführt wird, festgestellt, ob zu diesem Zeitpunkt die Begrenzung aktiv ist. Ob ja oder nein wird im BEGRENZUNG-JA/NEIN SPEICHER 10′ fest­ gehalten, da dies später als Information für den BEGRENZUNGS- REGLER (Rechner-Ebene B) benötigt wird (Statussignal S).

Zum Zeitpunkt t _-3 liegt im adaptiven Kennfeld 15 natürlich noch ein altes Kennfeld vor und zwar jenes, das beispiels­ weise mit Daten von t _-7 aktualisiert wurde. Dieses alte Kennfeld wird beim Schritt BEGRENZUNG (Rechner-Ebene A) noch solange verwendet, bis der Vorgang auf der Rechner-Ebene B der Abgasmessung, der anschließenden Auswertung der Messung, der Einsatz des Begrenzungsreglers, der die Änderung des Kennfeldes ermittelt, und die Kennfeldkorrektur abgeschlos­ sen ist, also im adaptiven Kennfeld das neue Kennfeld, das soeben mit den Daten von Zeitpunkt t _-3 aktualisiert wurde, vorliegt. In diesem Beispiel wird das erste Mal zum Zeit­ punkt to das neue Kennfeld verwendet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in ihrer Unab­ hängigkeit von der Meßtotzeit, die für die Abgasmessung be­ nötigt wird und der als Folge unterschiedlicher Rechnerbela­ stung schwankenden Verarbeitungszeit. Ein besonders wichti­ ges Anwendungsgebiet ist die von einer ständigen Rußmessung ausgehende Vollastbegrenzung.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 steuert in Rege­ lung die Regelstange einer Einspritzpumpe 2 an. Die Erfin­ dung läßt sich jedoch ebenso auf einen Motor anwenden, der mit einzelnen Pumpedüsen bestückt ist, was kurz an Hand der Fig. 5 erläutert werden soll.

Der Basisregler 1 berechnet für jede von beispielsweise sechs Pumpedüsen 16 _i (bei einem Sechszylindermotor) ein zu­ gehörges Ansteuersignal RW _Bi , das über die Minimalwertaus­ wahlstufe 10 läuft. Auf diese Stufe 10 folgt eine Zylinder­ auswahleinheit 17, die von einem aus dem Basisregler 10 stammenden Auswahlsignal i gesteuert wird. Die einzelnen Ansteuersignale RW ₁ bis RW ₆ werden noch einem Haltespeicher 18 zugeführt und gelangen von hier zu den elektromechani­ schen Stellgliedantrieben der einzelnen Pumpedüsen 16 _i , wobei die erforderlichen Treiberschaltungen und ggf. Servokreise der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Nähere Einzelheiten hinsichtlich der geregelten Einzel­ zylinderansteuerung sind beispielsweise in der Anmeldung DE 38 22 582 der Anmelderin zu finden, wo auch weitere Literaturstellen zum technischen Hintergrund genannt sind.

Schließlich ist zu erwähnen, daß bei geregelter Einzelzylin­ deransteuerung die Erfindung entsprechend der Zylinderanzahl vervielfacht angewendet werden könnte, d. h., daß jedem Zy­ linder eine adaptive Begrenzung nach der Erfindung zugeord­ net ist. Demgegenüber wird bei der vereinfachten Ausfüh­ rungsform nach Fig. 5 ein auf alle Einzelzylinderansteuer­ signale RW _Bi gemeinsam wirkendes maximales Ansteuersignal RW _M berechnet.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Steuern und Regeln einer Dieselbrennkraft­ maschine, mit einem elektronischen Basisregler, dem Signale von Gebern und Sensoren zur Erfassung von Betriebsgrößen des Motors bzw. Fahrzeuges, wie der Drehzahl, der Gaspedalstel­ lung, der Motortemperatur etc. zugeführt sind und ein Aus­ gangssignal des Basisreglers als Ansteuersignal zum Antrieb zumindest eines elektromechanischen Stellgliedes für die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von diesen Betriebsgrößen herangezogen ist, gekennzeichnet durch einen Abgassensor (8) insbesondere einen Rußsensor, mit einer den Abgasistwert (AG _i ) liefernden Sensorauswertung (9),
durch einen Sollwertspeicher (12) für den maximal zulässigen Rußwert (AG _MS ),
durch einen Speicher (13) oder ein Verzögerungsglied für be­ züglich des Zeitpunktes (t _v ) des Sollwertvergleiches um die Meßtotzeit (Δ t) des Abgassensors und der Sensor­ auswertung zurückliegende Werte eines Arbeitspunktvektors (AP(t _M )), der aus Werten von Betriebsgrößen besteht, bei­ spielsweise zumindest aus der im Basisregler (3) errechneten mittleren Drehzahl () und gegebenenfalls auch aus weiteren Be­ triebsgrößen, wie Motortemperatur, Luftdruck etc.,
durch ein adaptives Kennfeld (15), in dem in Abhängigkeit von dem Arbeitspunktvektor (AP) ein maximal zulässiges Ansteuer­ signal (RW _M ) festgelegt ist, und aus dem die Werte des An­ steuersignales (RW _M (to)) zur aktuellen Zeit (to), gesteuert von einem Arbeitspunktvektorsignal (AP(to)) des Basisreglers ausgelesen werden können,
durch eine Minimalwertauswahlstufe (10), welcher das Ansteu­ ersignal (RW _M ) des adaptiven Kennfeldes (15) sowie das im Ba­ sisregler (3) berechnete Ansteuersignal (RW _B ) zugeführt sind und deren Ausgangssignal (RW) zur Ansteuerung des elektro­ mechanischen Stellgliedes (2) herangezogen ist,
durch einen Begrenzungsregler (14), dem der maximal zulässige Abgaswert (AG _MS ) des Sollwertspeichers (12), der Abgasist­ wert (AG _i ) sowie ein Statussignal (S) der Minimalwertaus­ wahlstufe (10) zugeführt sind und dessen Ausgangssignal als Korrektursignal (Δ RW) dem von einem um die Meßtotzeit zu­ rückliegenden Arbeitspunktvektorsignal (AP(t _M )) gesteuerten Eingang des adaptiven Kennfeldes (15) zugeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsregler (14) ein Substrahierglied (11) enthält, dem der maximal zulässige Abgaswert (AG _MS ) des Sollwertspei­ chers (12) und der Abgasistwert (AG _i ) zugeführt sind, sowie eine Regeleinheit (14′), welcher das Ausgangssignal (Δ AG) des Subtrahiergliedes (11) und das Statussignal (S) der Minimalwertauswahlstufe (10) zugeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das adaptive Kennfeld (15) von Strobesignalen (sync in, sync out) des Basisreglers (3) synchronisiert ist.

4. Einrichtung nach eiem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sollwertspeicher ein Sollwertkennfeld (12) ist, das von um die Meßtotzeit (Δ t) zurückliegenden Betriebsgrößen, vorzugsweise zumindest von der mittleren Drehzahl (t _M ) gesteuert ist und als Ausgangssignal einen maximal zulässigen Abgaswert AG _MS (t _M ) abgibt, der für eine um die Meßtotzeit (Δ t) zurückliegende Zeit (t _M ) repräsenta­ tiv ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Begrenzungsregler (14) ein Korrektur­ signal (Δ RW) abgibt, dessen Größe der Differenz (Δ AG) von maximal zulässigem Abgaswert (AG _MS ) und Abgasistwert (AG _i ) proportional ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Statussignal (S) auf einen gegen die aktuelle Zeit (t _o ) um die Meßtotzeit (Δ t) zurückliegenden Zeitpunkt (t _M ) bezogen ist und ein Speicher (10′) für dieses Statussignal (S) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Begrenzungsregler (14) ein negatives Korrektursignal (Δ RW) abgibt, falls AG _i AG _MS , ein posi­ tives Korrektursignal, falls AG _i AG _MS und gemäß dem Sta­ tussignal (S) (RW _M RW _B und ein Nullsignal (Δ RW = 0), falls AG _i AG _MS und gemäß dem Statussignal (S) RW _B RW _M ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Ansteuerung der Pumpedüsen (16 _i ) eines Motors (1) der Mininalwertauswahlstufe (10) eine von dem Ba­ sisregler (10) angesteuerte Zylinderauswahleinheit (17) nachgeschaltet ist und auf diese Einheit (17) ein Haltespei­ cher (18) für die ausgewählten Ansteuersignale (RW _i ) für die Pumpedüsen (16 _i ) folgt.