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Title:
Engine idling control system.
Kind Code:
A1
Abstract:

An engine idling control system with loss and disturbance-variable feedback from an observer unit, in which the total mechanical losses of the internal combustion engine (MvM) including the energy consumption of all instantaneously connected auxiliary units (MvA) are reconstructed in the observer unit (B) with a predetermined time constant (h1), for which purpose the observer unit (B) receives as input variables the angular velocity ( omega ) of the internal combustion engine and the work MI performed by the gas in its combustion chamber (MI = INTEGRAL opIdV, pI being the indicated mean pressure and V being the displacement), and in which the minimum torque (Mv) required for reliable idling, reconstructed by the observer unit, is added as a reference variable component to the variable corresponding to the mixture (G) fed in, in order to compensate the latter.



Inventors:
Assbeck, Prof. Franz Dr-ing (DE)
Application Number:
EP19900104535
Publication Date:
09/11/1991
Filing Date:
03/09/1990
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
F02D41/08; F02D41/14; (IPC1-7): F02D41/08; F02D41/24
European Classes:
F02D41/08B; F02D41/14B
View Patent Images:
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Band 12, Nr. 296 (M-731), 12. August 1988; & JP-A-63 74 733 (TOYOTA MOTOR) 05-04-1988
Claims:
1. Leerlaufregelsystem f·ur eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und St·orgr·ossenr·uckf·uhrung 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 Eingangsgr·ossen die Winkelgeschwindigkeit ( omega = d phi /dt) der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit MI (MI = INTEGRAL o pIdV, wobei pI der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugef·uhrt werden und dass das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment (Mv) der dem zugef·uhrten Gemisch (G) entsprechenden Gr·osse als F·uhrungsgr·ossenkomponente kompensierend aufaddiert wird (Fig. 3), um ein m·oglichst ideales St·orgr·ossenverhalten zu erzielen.

2. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Beobachtereinheit (B) analog arbeitet und aus den Eingangsgr·ossen ( , MI) eine Ausgangsgr·osse (MV) nach den Gleichungen v/#SP.# = (-h1. v) + (h1 MI) + (h1<2> . J d phi /dt) V = INTEGRAL (v/#SP.# dt) M/< ANd >v = v - (h1. J .d phi /dt) mit v: beobachterinterne Signalgr·osse v: deren Zeitableitung h1: die entsprechend der gew·unschten G·uteklasse festgelegte Zeitkonstante f·ur das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers, [s<-1>] phi : Impulse von einer Kurbelwellenindizierung MI: alternativ zu Me<*>, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden, J : Tr·agheitsmasse der Brennkraftmaschine einschliesslich aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm<2>] M/< ANd >v: 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 Eingangsgr·ossen ( , MI) eine Ausgangsgr·osse (M(n)T) nach den Gleichungen EMI12.1 rekonstruiert.

4. Leerlaufregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Tr·agheitsmasse (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 verf·ugbaren Brennraumdruck-Indizierung die freigesetzte Gasarbeit ·uber 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 St·orgr·ossenregler (Fig. 3) kompensiert wird.

7. Leerlaufregelsystem f·ur eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und St·orgr·ossenr·uckf·uhrung aus einer Beobachtereinheit , nach einem der vorhergehenden Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet , dass die Eingangsgr·ossen und die der beobachterinternen Signalgr·osse (v) entsprechende Gr·osse mit einem Schalter (S1) abgetastet und zwischengespeichert werden, dass ein Halte- und Verz·ogerungsglied (z<-1>) die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgr·osse (v) durch Verz·ogerung um ein Abtastintervall (T) ausf·uhrt 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 Anspr·uche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Adaption der "aktivierten Tr·agheitsmasse", welche sich geringf·ugig ·andert, sobald sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, durch ein in der Beobachtereinheit (B) implementiertes Erfahrungsmodell ausgef·uhrt wird, das den Zeitverlauf eines in einem ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "St·ormoments" aufnimmt und diesen mit den ihm bekannten Zeitverl·aufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leerlaufregelsystem f·ur eine Brennkraftmaschine, mit einer Verlust- und St·orgr·ossenr·uckf·uhrung aus einer Beobachtereinheit.

Herk·ommliche Leerlaufdrehzahlregler gewinnen den der Brennkraftmaschinen-Vorsteuerung ·uberlagerten Regeleingriff f·ur den Leerlauf ausschliesslich aus einem Sollwert-Istwert-Vergleich der Motordrehzahl, vergl. Fig. 1. Um ·Uberschwinger und/oder Einbr·uche der Leerlaufdrehzahl m·oglichst klein zu halten, wird dazu ·ublicherweise ein PID-(Proportional-Integral-Differential-)Regler, vergl. z.B. Leonhard "Einf·uhrung in die Regelungstechnik", Vieweg, eingesetzt, der bereits auf den Gradienten eines "drohenden" Drehzahleinbruchs reagieren kann.

Wegen a) der grossen Tot- und Verz·ogerungszeiten zwischen der Stellgr·osse "Gemischeinbringung" und der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (MI), sowie b) der zu beschleunigenden Tr·agheitsmassen (J) von Motor und Hilfsantrieben m·ussen hochverst·arkende DT1-Regelparameter angesetzt werden. Hohe D-Anteile beg·unstigen jedoch bekannterweise ein instabiles Regelverhalten (aufschwingende Eigenbewegung), was zu einer drastisch erh·ohten Emission, einem erh·ohtem Verbrauch und im Extremfall zum "Abw·urgen" des Motors f·uhren kann. Um bei ungen·ugend beherrschbaren Oszillationen ein "Abw·urgen" des Motors zu verhindern, wird die Leerlaufdrehzahl ·ublicherweise um einen Sicherheitsreserve-Betrag h·oher eingestellt.

Zur Verbesserung des F·uhrungsgr·ossen-Verhaltens bez·uglich a) wurde bereits in der Druckschrift Kiencke U., VDI-Ber. 612 (1986) "Entwurf eines Zustandsreglers f·ur die Leerlaufregelung eines Ottomotors" ein Zustandsregelkreis mit R·uckf·uhrung des Saugrohrdrucks angegeben. Dieser bekannte Zustandsregelkreis ist robust gegen·uber F·uhrungsgr·ossenspr·ungen (Gaspedal), kann jedoch ·Anderungen von Verlust- und St·orgr·ossen (mech. Verluste w·ahrend des Warmlaufs, zuschaltende Hilfsantriebe) nur begrenzt, n·amlich ·uber den herk·ommlichen Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich und durch heuristische Zusatzeingriffe kompensieren.

Zur Verbesserung des St·orgr·ossen-Verhaltens bez·uglich b) wurden bisher nur Vorsteuerungen ·uber Erfahrungsmodelle realisiert, in die Zustandsparameter, wie z.B. Motortemperatur, Luftmasse, Mischungsverh·altnis und Drehzahl sowie Schaltersignale von Hilfsantrieben, eingehen.

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 betriebspunktabh·angigen mechanischen Verluste als auch auf das mechanische System Motor einwirkende St·orelemente mit einer Beobachtereinheit erfasst und kompensierend der Gemisch-Zuf·uhrung aufschaltet, zu regeln.

Zur L·osung 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 Eingangsgr·ossen die Winkelgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit zugef·uhrt werden und das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment der dem zugef·uhrten Gemisch entsprechenden Gr·osse als F·uhrungsgr·ossenkomponente kompensierend aufaddiert wird, um ein m·oglichst ideales St·orgr·ossenverhalten zu erzielen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteranspr·uchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Laufgrenze (dies ist die Mindestdrehzahl, von der ab ein "Abw·urgen" im Leerlauf nicht mehr auftreten kann) weiter abgesenkt und die Laufruhe verbessert werden kann. Da Verbrauch und Emission etwa proportional mit der Drehzahl sinken, k·onnen hiermit vor allem im Stadtverkehr, vergl. z.B. Bosch Techn. Unterrichtung "Motronic" Sept. 1985, S. 26, und in der Warmlaufphase, Verbesserungen erreicht werden.

Mit Hilfe des somit von der Beobachtereinheit in Echtzeit ermittelten f·ur Leerlaufbetrieb erforderlichen Drehmoments kann die ben·otigte Gemischmenge gut vorausbestimmt werden, und das Agieren des Regelkreises wird nicht mehr nur vom Drehzahl-Sollwert-Istwert-Vergleich allein eingeleitet.

Damit adaptiert sich die Regelung z.B. an die w·ahrend des Warmlaufs sinkende Motorreibung oder an den variierenden Energiebedarf der Hilfsantriebe. Die Zustandsr·uckf·uhrung aus dem "Verlustbeobachter", n·amlich der Beobachtereinheit, kann - bei Ber·ucksichtigung einer Einschwingzeit der Beobachtereinheit - auch willk·urliche St·orgr·ossenaufschaltungen (wie Einschalten der Klimaanlage, von Servomotoren und dgl.) kompensieren, ohne den Drehzahlregler zu ·uberfordern.

Die Erfindung eliminiert alle mit einer (zuvor erl·auterten) "Vorsteuerung des erforderlichen Leerlaufdrehmoments" verbundenen Nachteile, indem die Beobachtereinheit diese Gr·osse aus dem Vergleich der im Brennraum freigesetzten Gasarbeit (MI) mit der Dynamik der Motordrehzahl (dn/dt) rekonstruiert und der Gemischeinbringung als eine F·uhrungsgr·ossenkomponente vorgibt.

Bei Anwendung der bekannten Methode der Polvorgabe l·asst sich durch entsprechende Beaufschlagung der Steuergr·osse "Gemischeinbringung" mit aus den Zustandsgr·ossen "Saugrohrdruck" und "Leerlaufdrehmoment" gebildeten R·uckf·uhrungen das dynamische Verhalten des Gesamtsystems vorbestimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen beschrieben.

Es zeigt: Fig. 1 den Funktionsplan eines Zustandsregelkreises f·ur ein gutes F·uhrungsverhalten nach dem Stand der Technik gem·ass Kiencke U., VDI-Ber. 612(1986) ("Entwurf eines Zustandsreglers f·ur 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 gem·ass der Erfindung zugef·ugt ist; Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Beobachtereinheit B in einer Analogschaltungsanordnung; Fig. 4 den Funktionsplan einer Beobachtereinheit B gem·ass der Erfindung f·ur die "Beobachtung der mechanischen Verluste" in einer Digitalschaltungsanordnung; Fig. 5 den Funktionsplan einer Verlust- und St·orgr·ossenr·uckf·uhrung in einem Leerlaufregelsystem gem·ass der Erfindung.

Die Differentialgleichung des bisher bekannten (Kiencke, U.) Leerlauf-Zustandsregelkreises lautet: EMI4.1 mit m/#SP.#G,zu : dem Einlasstrakt zugef·uhrte Gemischmasse [kg/s] m/#SP.#G,ab : vom Einlasstrakt abgesaugte Gemischmasse [kg/s] KIS : Saugrohr-Integrationskonstante [N/m<2>s] R : spezielle Gaskonstante EMI4.2 K : Adiabatenexponant [ca. 1,40] TS : Temperatur im Ansaugrohr VS : Volumen des Ansaugrohrs Indizes" /#SP.#" : Ableitung nach der Zeit Me<*> : in einem Kennfeld abgelegtes effektives Motormoment (aus station·aren Pr·ufstandsversuchen) [Nm] MI : alternativ zu Me<*> . (1-e<-t/ts>) e<-t/tt . 2 pi > [Nm] falls Brennraumdruck-Messung vorhanden [Nm] J : Tr·agheitsmoment des Motors inklusive aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm<2>] n :

Motordrehzahl [S<-1>] weitere Nomenklatur siehe Fig. 1. EMI5.1 Mv = Mvn + Mvz Mvn = permanente mechan. Verluste im Leerlauf Mvz = zuschaltbare mechan. Verluste im Leerlauf fM = (1 - e<-t/ts>) . e<-j t/tt . 2 pi > fM = vereinfachte math. Funktion f·ur Zeitverhalten der thermodyn. Energieumsetzung im Motor.

Um nun den Leerlaufregler gem·ass Fig. 1 auch adaptiv auf die betriebspunktabh·angigen mechanischen Verluste (insbesondere Warmlaufverhalten) sowie robust gegen·uber St·ormomenten durch zuschaltende Hilfsantriebe zu machen, wird ein Beobachtermodell zur Rekonstruktion dieser Verlust- und St·orgr·ossen eingef·uhrt. Zustandsgleichungen des Beobachters: v/#SP.# = (-h1 . v) + (h1 . MI) + (h1<2> . J . d phi /dt) v = INTEGRAL (v/#SP.# . dt) M/< ANd >v = v - (h1 . J . d phi /dt) mit v : beobachterinterne Signalgr·osse v : deren Zeitableitung h1 : die entsprechend der gew·unschten G·uteklasse festgelegte Zeitkonstante f·ur das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers, [S<-><1>] d phi /dt : motordrehzahlabh.

Impulsfrequenz von einer Kurbelwellenindizierung in s<-1> als Winkelgeschwindigkeit MI : alternativ zu Me<*>, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden J : Tr·agheitsmoment des Motors inklusive aller im Leerlauf aktivierten Aggregate Mv : die "vom Beobachter rekonstruierten" mechanischen Verluste (inkl. Hilfsantriebe) Indizes" /< ANd >" : f·ur ·uber Beobachterschaltung rekonstruierte Abbilder einer physikalischen Gr·osse .

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 gem·ass der Erfindung zugef·uhrt ist.

Da sich das "aktive Tr·agheitsmoment" J geringf·ugig ·andert, 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 "St·ormoments" auf und vergleicht diesen mit den ihm bekannten der in Frage kommenden zuschaltbaren Aggregate.

Erfindungsgem·ass ist vorgesehen, 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 Eingangsgr·ossen die Winkelgeschwindigkeit omega der Brennkraftmaschine und die in deren Brennraum freigesetzte Gasarbeit MI (MI = INTEGRAL 0 pIdV, wobei pI der indizierte Mitteldruck und V das Hubvolumen ist) zugef·uhrt werden und dass das von der Beobachtereinheit rekonstruierte Leerlaufdrehmoment Mv der dem zugef·uhrten Gemisch G entsprechenden Gr·osse als F·uhrungsgr·ossenkomponente kompensierend aufaddiert wird (Fig. 3), um ein m·oglichst ideales St·orgr·ossenverhalten zu erzielen.

Gem·ass einer Ausf·uhrungsform der Erfindung arbeitet die Beobachtereinheit B analog (vergl. Fig. 3) und rekonstruiert aus den Eingangsgr·ossen omega , MI eine Ausgangsgr·osse Mv nach den Gleichungen v/#SP.# = (-h1 .v) + (h1. MI) + (h1<2>. J . d phi /dt) V = INTEGRAL (v/#SP.# . dt) M/< ANd >v = v - (h1.

J . d phi /dt) mit v: beobachterinterne Signalgr·osse v: deren Zeitableitung h1: die entsprechend der gew·unschten G·uteklasse festgelegte Zeitkonstante f·ur das Abklingen des dynamischen Rekonstruktionsfehlers [s<-1>] d phi /dt : Impulse von einer Kurbelwellenindizierung MI: alternativ zu Me<*>, falls Brennraumdruck-Messung vorhanden, J : Tr·agheitsmasse der Brennkraftmaschine einschliesslich aller im Leerlauf aktivierten Aggregate [kgm<2>], M/< ANd >v: die von der Beobachtereinheit B rekonstruierten mechanischen Verluste (einschliesslich Hilfsaggregate) [Nm].

Gem·ass einer anderen Ausf·uhrungsform arbeitet die Beobachtereinheit B digital (vergl. Fig. 4) und bildet aus den Eingangsgr·ossen omega , MI eine Ausgangsgr·osse Mv(n)T nach Algorithmus gem·ass den Gleichungen EMI8.1 allgemein: U(n)T : Ausdruck f·ur den Steuervektor des Systems zum Tastzeitpunkt n.T V(n)T : allgem. Ausdruck f·ur den Zustandsvektor des Systems zum Tastzeitpunkt

Es ist erfindungsgem·ass vorgesehen, dass die Tr·agheitsmasse J mittels Schaltermeldungen oder aus den Ansteuersignalen der zugeschalteten Hilfsaggregate adaptiert und in der Analogschaltung (Fig. 3) entsprechende Kondensatoren zu C parallel schaltet.

Bei einer nicht verf·ugbaren Brennraumdruck-Indizierung wird die freigesetzte Gasarbeit ·uber Kennfeldwerte k4 und k5 (Fig. 1) abgerufen.

Eine in der Beobachtereinheit (B) unvermeidbare Einschwingzeit (= Abklingzeit des dynamischen Rekonstruktionsfehlers) wird durch einen entsprechend dimensionierten Differentialanteil (Vorhalt) in einem St·orgr·ossenregler (Fig. 3) kompensiert.

Die Eingangsgr·ossen und die der beobachterinternen Signalgr·osse v entsprechende Gr·osse werden mit einem Schalter S1 abgetastet und zwischengespeichert. Ein Halte- und Verz·ogerungsglied (z<-1>) f·uhrt die Verarbeitung der beobachterinternen Signalgr·osse v durch Verz·ogerung 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.

Eine Adaption der "aktivierten Tr·agheitsmasse", welche sich geringf·ugig ·andert, sobald sich Hilfsantriebe zu- oder abschalten, wird durch ein in der Beobachtereinheit B implementiertes Erfahrungsmodell ausgef·uhrt, das den Zeitverlauf eines in einem ersten Arbeitsgang nur qualitativ rekonstruierten "St·ormoments" aufnimmt und diesen mit den ihm bekannten Zeitverl·aufen aller zuschaltbaren Hilfsantriebe vergleicht.

Da in dieser Arbeit nun aufgezeigt wurde, wie die mechanischen Verluste des Motors im Leerlauf (inklusive der Energie f·ur die zugeschalteten Hilfsantriebe) mit einem Beobachter rekontruiert werden k·onnen, darf das Motormodell (1t. Fig. 1) um diese "Energiesenke" erweitert werden. Das Ergebnis ist eine Leerlaufregelung, welche nicht nur robust gegen·uber Gasst·ossen des Fahrers, sondern auch - adaptiv auf das Warmlaufverhalten, auf mechanische Ver·anderungen infolge Alterung, gegen·uber Exemplarstreuungen und - robust gegen·uber St·ormomenten, eingebracht durch zuschaltende Hilfsantriebe ist.

Die Differentialgleichung des "st·ormomentrobusten" Leerlaufreglers lautet: EMI9.1 Mv = Mvn . n + Mvo fm = (1 - e <-t/ts>) . e<-jtt>

Bei Versuchsmessreihen ergaben sich f·ur eine Abtastperiode T = 10 ms und einer gew·ahlten Rekonstruktionszeit von TB = 100 ms folgende mittlere Werte f·ur die einzelnen Gr·ossen: EMI10.1 - h1TB = ln 10% = -2.30 h1 = 23 s<-1> A = e<-h1T> = e <-23.0.01> = 0.80 J = 3.02 kgm<2> (Forschungsmotor AVL-Einzylinder mit Vz=400cm<3> EMI10.2