[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine,
mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung aus einer Beobachtereinheit.
[0002] Herkömmliche Leerlaufdrehzahlregler gewinnen den der Brennkraftmaschinen-Vorsteuerung
überlagerten Regeleingriff für den Leerlauf ausschließlich aus einem Sollwert-Istwert-Vergleich
der Motordrehzahl, vergl. Fig. 1. Um Überschwinger und/oder Einbrüche der Leerlaufdrehzahl
möglichst klein zu halten, wird dazu üblicherweise ein PID-(
Proportional-
Integral-
Differential-)Regler, vergl. z.B. Leonhard "Einführung in die Regelungstechnik", Vieweg,
eingesetzt, der bereits auf den Gradienten eines "drohenden" Drehzahleinbruchs reagieren
kann.
[0003] Wegen
a) der großen Tot- und Verzögerungszeiten zwischen der Stellgröße "Gemischeinbringung"
und der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (MI), sowie
b) der zu beschleunigenden Trägheitsmassen (J) von Motor und Hilfsantrieben
müssen hochverstärkende DT₁-Regelparameter angesetzt werden. Hohe D-Anteile begünstigen
jedoch bekannterweise ein instabiles Regelverhalten (aufschwingende Eigenbewegung),
was zu einer drastisch erhöhten Emission, einem erhöhtem Verbrauch und im Extremfall
zum "Abwürgen" des Motors führen kann. Um bei ungenügend beherrschbaren Oszillationen
ein "Abwürgen" des Motors zu verhindern, wird die Leerlaufdrehzahl üblicherweise um
einen Sicherheitsreserve-Betrag höher eingestellt.
[0004] Zur Verbesserung des Führungsgrößen-Verhaltens bezüglich a) wurde bereits in der
Druckschrift Kiencke U., VDI-Ber. 612 (1986) "Entwurf eines Zustandsreglers für die
Leerlaufregelung eines Ottomotors" ein Zustandsregelkreis mit Rückführung des Saugrohrdrucks
angegeben. Dieser bekannte Zustandsregelkreis ist robust gegenüber Führungsgrößensprüngen
(Gaspedal), kann jedoch Änderungen von Verlust- und Störgrößen (mech. Verluste während
des Warmlaufs, zuschaltende Hilfsantriebe) nur begrenzt, nämlich über den herkömmlichen
Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich und durch heuristische Zusatzeingriffe kompensieren.
[0005] Zur Verbesserung des Störgrößen-Verhaltens bezüglich b) wurden bisher nur Vorsteuerungen
über Erfahrungsmodelle realisiert, in die Zustandsparameter, wie z.B. Motortemperatur,
Luftmasse, Mischungsverhältnis und Drehzahl sowie Schaltersignale von Hilfsantrieben,
eingehen.
[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leerlaufregelsystem der
eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage ist, die Leerlaufdrehzahl mit
einem Zustandsregler, der sowohl die betriebspunktabhängigen mechanischen Verluste
als auch auf das mechanische System Motor einwirkende Störelemente mit einer Beobachtereinheit
erfaßt und kompensierend der Gemisch-Zuführung aufschaltet, zu regeln.
[0007] Zur Lösung der Aufgabe wird ein Leerlaufregelsystem vorgeschlagen, bei dem die gesamten
mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine einschließlich des Energiebedarfs aller
momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate in der Beobachtereinheit mit einer vorgegebenen
Zeitkonstante rekonstruiert werden, wozu der Beobachtereinheit als Eingangsgrößen
die Winkelgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte
Gasarbeit zugeführt werden und das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment
der dem zugeführten Gemisch entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend
aufaddiert wird, um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten zu erzielen.
[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen
angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
[0009] Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Laufgrenze (dies ist die Mindestdrehzahl,
von der ab ein "Abwürgen" im Leerlauf nicht mehr auftreten kann) weiter abgesenkt
und die Laufruhe verbessert werden kann. Da Verbrauch und Emission etwa proportional
mit der Drehzahl sinken, können hiermit vor allem im Stadtverkehr, vergl. z.B. Bosch
Techn. Unterrichtung "Motronic" Sept. 1985, S. 26, und in der Warmlaufphase, Verbesserungen
erreicht werden.
[0010] Mit Hilfe des somit von der Beobachtereinheit in Echtzeit ermittelten für Leerlaufbetrieb
erforderlichen Drehmoments kann die benötigte Gemischmenge gut vorausbestimmt werden,
und das Agieren des Regelkreises wird nicht mehr nur vom Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich
allein eingeleitet.
[0011] Damit adaptiert sich die Regelung z.B. an die während des Warmlaufs sinkende Motorreibung
oder an den variierenden Energiebedarf der Hilfsantriebe. Die Zustandsrückführung
aus dem "Verlustbeobachter", nämlich der Beobachtereinheit, kann - bei Berücksichtigung
einer Einschwingzeit der Beobachtereinheit - auch willkürliche Störgrößenaufschaltungen
(wie Einschalten der Klimaanlage, von Servomotoren und dgl.) kompensieren, ohne den
Drehzahlregler zu überfordern.
[0012] Die Erfindung eliminiert alle mit einer (zuvor erläuterten) "Vorsteuerung des erforderlichen
Leerlaufdrehmoments" verbundenen Nachteile, indem die Beobachtereinheit diese Größe
aus dem Vergleich der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (M
I) mit der Dynamik der Motordrehzahl (dn/dt) rekonstruiert und der Gemischeinbringung
als eine Führungsgrößenkomponente vorgibt.
[0013] Bei Anwendung der bekannten Methode der Polvorgabe läßt sich durch entsprechende
Beaufschlagung der Steuergröße "Gemischeinbringung" mit aus den Zustandsgrößen "Saugrohrdruck"
und "Leerlaufdrehmoment" gebildeten Rückführungen das dynamische Verhalten des Gesamtsystems
vorbestimmen.
[0014] Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben.
[0015] Es zeigt:
- Fig. 1
- den Funktionsplan eines Zustandsregelkreises für ein gutes Führungsverhalten nach
dem Stand der Technik gemäß Kiencke U., VDI-Ber. 612(1986) ("Entwurf eines Zustandsreglers
für die Leerlaufregelung eines Ottomotors");
- Fig. 2
- den Funktionsplan eines sog. Beobachtermodells zur Rekonstruktion der "mechanischen
Verluste im Leerlaufbetrieb" nach dem Stand der Technik, dem eine Beobachtereinheit
B gemäß der Erfindung zugefügt ist;
- Fig. 3
- das Prinzipschaltbild der Beobachtereinheit B in einer Analogschaltungsanordnung;
- Fig. 4
- den Funktionsplan einer Beobachtereinheit B gemäß der Erfindung für die "Beobachtung
der mechanischen Verluste" in einer Digitalschaltungsanordnung;
- Fig. 5
- den Funktionsplan einer Verlust- und Störgrößenrückführung in einem Leerlaufregelsystem
gemäß der Erfindung.
[0017] Um nun den Leerlaufregler gemäß Fig. 1 auch adaptiv auf die betriebspunktabhängigen
mechanischen Verluste (insbesondere Warmlaufverhalten) sowie robust gegenüber Störmomenten
durch zuschaltende Hilfsantriebe zu machen, wird ein Beobachtermodell zur Rekonstruktion
dieser Verlust- und Störgrößen eingeführt.
Zustandsgleichungen des Beobachters:
[0019] Fig. 2 Zeigt, wie zuvor angegeben, den Funktionsplan eines sog. Beobachtermodells
Zur Rekonstruktion der "mechanischen Verluste im Leerlaufbetrieb" nach dem Stand der
Technik, dem eine Beobachtereinheit B gemäß der Erfindung zugeführt ist.
[0020] Da sich das "aktive Trägheitsmoment" J geringfügig ändert, sobald Hilfsantriebe Zu-
oder abschalten, wird es deshalb mit Hilfe von Schaltermeldungen oder den Ansteuerbefehlen
der zugeschalteten Aggregate
oder aus einem im Beobachter implementierten Erfahrungsmodell adaptiert.
Das Erfahrungsmodell nimmt den Zeitverlauf eines im ersten Arbeitsgang nur qualitativ
rekonstruierten "Störmoments" auf und vergleicht diesen mit den ihm bekannten der
in Frage kommenden zuschaltbaren Aggregate.
[0021] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine
M
vM einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate M
vA in der Beobachtereinheit B mit einer vorgegebenen Zeitkonstante h₁ rekonstruiert
werden, wozu der Beobachtereinheit B als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit
ω der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit M
I (

, wobei p
I der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugeführt werden und daß das
von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment M
v der dem zugeführten Gemisch G entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente kompensierend
aufaddiert wird (Fig. 3), um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten zu erzielen.
[0022] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Beobachtereinheit B analog
(vergl. Fig. 3) und rekonstruiert aus den Eingangsgrößen ω, M
I eine Ausgangsgröße M
v nach den Gleichungen
mit
- v:
- beobachterinterne Signalgröße
- v:
- deren Zeitableitung
- h₁:
- die entsprechend der gewünschten Güteklasse festgelegte Zeitkonstante für das Abklingen
des dynamischen Rekonstruktionsfehlers [s-1]
- dφ/dt :
- Impulse von einer Kurbelwellenindizierung
- MI:
- alternativ zu Me*, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden,
- J :
- Trägheitsmasse der Brennkraftmaschine einschließlich aller im Leerlauf aktivierten
Aggregate [kgm²],
- M̂v:
- die von der Beobachtereinheit B rekonstruierten mechanischen Verluste (einschließlich
Hilfsaggregate) [Nm].
[0023] Gemäß einer anderen Ausführungsform arbeitet die Beobachtereinheit B digital (vergl.
Fig. 4) und bildet aus den Eingangsgrößen ω , M
I eine Ausgangsgröße Mv
(n)T nach Algorithmus gemäß den Gleichungen

allgemein:
- U(n)T
- : Ausdruck für den Steuervektor des Systems zum Tastzeitpunkt n·T
- V(n)T
- : allgem. Ausdruck für den Zustandsvektor des Systems zum Tastzeitpunkt
[0024] Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Trägheitsmasse J mittels Schaltermeldungen
oder aus den Ansteuersignalen der zugeschalteten Hilfsaggregate adaptiert und in der
Analogschaltung (Fig. 3) entsprechende Kondensatoren zu C parallel schaltet.
[0025] Bei einer nicht verfügbaren Brennraumdruck-Indizierung wird die freigesetzte Gasarbeit
über Kennfeldwerte k4 und k5 (Fig. 1) abgerufen.
[0026] Eine in der Beobachtereinheit (B) unvermeidbare Einschwingzeit (= Abklingzeit des
dynamischen Rekonstruktionsfehlers) wird durch einen entsprechend dimensionierten
Differentialanteil (Vorhalt) in einem Störgrößenregler (Fig. 3) kompensiert.
[0027] Die Eingangsgrößen und die der beobachterinternen Signalgröße v entsprechende Größe
werden mit einem Schalter S1 abgetastet und zwischengespeichert. Ein Halte- und Verzögerungsglied
(z
-1) führt die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgröße v durch Verzögerung um
ein Abtastintervall T aus. Die digitale Beobachtereinheit B speichert soviele Abtastzeitpunkte
(n)T, (n+1)T , ... zwischen, wie es der Systemordnung der Beobachtereinheit B entspricht.
[0028] Eine Adaption der "aktivierten Trägheitsmasse", welche sich geringfügig ändert, sobald
sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, wird durch ein in der Beobachtereinheit B
implementiertes Erfahrungsmodell ausgeführt, das den Zeitverlauf eines in einem ersten
Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "Störmoments" aufnimmt und diesen mit den
ihm bekannten Zeitverläufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.
[0029] Da in dieser Arbeit nun aufgezeigt wurde, wie die mechanischen Verluste des Motors
im Leerlauf (inklusive der Energie für die zugeschalteten Hilfsantriebe) mit einem
Beobachter rekontruiert werden können, darf das Motormodell (1t. Fig. 1) um diese
"Energiesenke" erweitert werden. Das Ergebnis ist eine Leerlaufregelung, welche nicht
nur robust gegenüber Gasstößen des Fahrers, sondern auch - adaptiv auf das Warmlaufverhalten,
auf mechanische Veränderungen infolge Alterung, gegenüber Exemplarstreuungen und -
robust gegenüber Störmomenten, eingebracht durch zuschaltende Hilfsantriebe ist.
[0031] Bei Versuchsmeßreihen ergaben sich für eine Abtastperiode T = 10 ms und einer gewählten
Rekonstruktionszeit von T
B = 100 ms folgende mittlere Werte für die einzelnen Größen:
h₁ = 23 s
-1
J = 3.02 kgm² (Forschungsmotor AVL-Einzylinder mit V
z=400cm³

1. Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung
aus einer Beobachtereinheit,
dadurch gekennzeichnet ,
- daß die gesamten mechanischen Verluste der Brennkraftmaschine (MvM) einschließlich des Energiebedarfs aller momentan zugeschaltenen Hilfsaggregate (MvA) in der Beobachtereinheit (B) mit einer vorgegebenen Zeitkonstante (h₁) rekonstruiert
werden, wozu der Beobachtereinheit (B) als Eingangsgrößen die Winkelgeschwindigkeit
(

) der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit MI (

, wobei pI der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugeführt werden und
- daß das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment (Mv) der dem zugeführten Gemisch (G) entsprechenden Größe als Führungsgrößenkomponente
kompensierend aufaddiert wird (Fig. 3), um ein möglichst ideales Störgrößenverhalten
zu erzielen.
2. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Beobachtereinheit (B) analog arbeitet und aus den Eingangsgrößen ( , M
I) eine Ausgangsgröße (M
V) nach den Gleichungen
mit
v: beobachterinterne Signalgröße
v: deren Zeitableitung
h₁: die entsprechend der gewünschten Güteklasse festgelegte Zeitkonstante für das
Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers, [s-1]
φ : Impulse von einer Kurbelwellenindizierung
MI: alternativ zu Me*, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden,
J : Trägheitsmasse der Brennkraftmaschine einschließlich aller im Leerlauf aktivierten
Aggregate [kgm²]
M̂v: die von der Beobachtereinheit (B) rekonstruierten mechanischen Verluste (einschließlich
Hilfsaggregate) [Nm]
rekonstruiert.
3. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Beobachtereinheit (B) digital arbeitet und aus den Eingangsgrößen ( , M
I) eine Ausgangsgröße (M
(n)T) nach den Gleichungen

rekonstruiert.
4. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet ,
- daß die Trägheitsmasse (J) mittels Schaltermeldungen oder aus den Ansteuersignalen
der zugeschalteten Hilfsaggregate adaptiert und in der Analogschaltung (2b) entsprechende
Kondensatoren zu (C) parallel schaltet.
5. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei einer nicht verfügbaren Brennraumdruck-Indizierung die freigesetzte Gasarbeit
über Kennfeldwerte (k4) und (k5) (Fig. 1) abgerufen wird.
6. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine in der Beobachtereinheit (B) unvermeidbare Einschwingzeit (= Abklingzeit
des dynamischen Rekonstruktionsfehlers) durch einen entsprechend dimensionierten Differentialanteil
(Vorhalt) in einem Störgrößenregler (Fig. 3) kompensiert wird.
7. Leerlaufregelsystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und Störgrößenrückführung
aus einer Beobachtereinheit , nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
- daß die Eingangsgrößen und die der beobachterinternen Signalgröße (v) entsprechende
Größe mit einem Schalter (S1) abgetastet und zwischengespeichert werden,
- daß ein Halte- und Verzögerungsglied (z-1) die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgröße (v) durch Verzögerung um ein
Abtastintervall (T) ausführt und
- daß die digitale Beobachtereinheit (B) soviele Abtastzeitpunkte ((n)T, (n+1)T ,
...) zwischenspeichert, wie es der Systemordnung der Beobachtereinheit (B) entspricht.
8. Leerlaufregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine Adaption der "aktivierten Trägheitsmasse", welche sich geringfügig ändert,
sobald sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, durch ein in der Beobachtereinheit
(B) implementiertes Erfahrungsmodell ausgeführt wird, das den Zeitverlauf eines in
einem ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "Störmoments" aufnimmt und
diesen mit den ihm bekannten Zeitverläufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.