DE102004045154A1 - Air-fuel ratio determining method for e.g. gasoline engine, involves determining air-fuel ratio of engine based on ratio of total turnover of cylinder to fuel mass supplied to cylinder - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Ottomotor. Zum Betrieb eines Ottomotors ist ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis erforderlich. Dieses Verhältnis zwischen einer dem Ottomotor zugeführten Luftmasse ml und einer dem Ottomotor zugeführten Kraftstoffmasse mk liegt bei einer idealen, theoretisch vollständigen, das heißt stöchiometrischen Verbrennung bei ml/mk = 14,7 =: Lst. Üblicherweise wird zur Angabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses die so genannte „Luftzahl" λ verwendet, welche auch als „Verbrennungs-Luftverhältnis" oder einfach als Luftverhältnis bezeichnet wird und einen auf den Wert für die stöchiometrische Verbrennung normiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis darstellt: The present invention relates to a method and a device for determining an air-fuel ratio in an internal combustion engine, in particular in a gasoline engine. To operate a gasoline engine, a certain air-fuel ratio is required. This ratio between an air mass ml supplied to the gasoline engine and a fuel mass mk supplied to the gasoline engine is ideal, theoretically complete, ie stoichiometric, at ml / mk = 14.7 =: Lst. Usually, the air-fuel ratio is specified using the so-called "air ratio" λ, also referred to as "combustion air ratio" or simply air ratio, which represents an air-fuel ratio normalized to the value for stoichiometric combustion:
Ein Wert λ = 1 bedeutet also eine stöchiometrische Verbrennung.One Value λ = 1 therefore means stoichiometric Combustion.
Vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis hängen wesentlich der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Ottomotors sowie seine Schadstoffemissionen, das heißt Abgasrohemissionen und ein Konvertierungsgrad eines in dem Ottomotor eingebauten Katalysators ab. Üblicherweise wird ein Wert für λ mittels einer so genannten Lambda-Sonde gemessen und abhängig von dem Messwert der Ottomotor möglichst genau auf λ = 1 geregelt, um eine optimale Konvertierungsrate von üblicherweise verwendeten Dreiwegekatalysatoren zu erreichen.from Air-fuel ratio hang significantly the specific fuel consumption of a gasoline engine as well its pollutant emissions, that is exhaust emissions and a Degree of conversion of a built-in gasoline engine catalyst from. Usually is a value for λ means a so-called lambda probe is measured and dependent on the measured value of the gasoline engine preferably exactly on λ = 1 regulated to an optimal conversion rate of usually used to achieve three-way catalysts.
Derartige Lambda-Sonden haben jedoch den Nachteil, dass sie eine gewisse Warmlaufzeit benötigen. Sie sind daher nicht sofort ab einem Startzeitpunkt des Ottomotors betriebsbereit. Daher wird während dieser Warmlaufphase herkömmlicherweise der Motor gesteuert und nicht geregelt betrieben, was hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission jedoch nicht optimal ist.such However, lambda probes have the disadvantage that they have a certain warm-up time need. she are therefore not immediately ready for operation from a starting time of the gasoline engine. Therefore, during this warm-up phase conventionally the engine operated and not operated regulated, what terms fuel consumption and pollutant emissions, however optimal.
Als Alternative oder Ergänzung zu der Verwendung einer Lambda-Sonde wurde daher vorgeschlagen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors aus einem in Zylindern des Verbrennungsmotors gemessenen Zylinderdruck zu bestimmen.When Alternative or supplement for the use of a lambda probe was therefore proposed that Air-fuel ratio an internal combustion engine from one in cylinders of the internal combustion engine to determine measured cylinder pressure.
Aus
der
Aus Norbert Müller, Adaptive Motorregelung beim Ottomotor unter Verwendung von Brennraumdruck-Sensoren, VDI Fortschritt-Bericht Reihe 12 Nr. 545, Düsseldorf 2003, Seiten 108–112 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein Wert für λ aus dem Unterschied eines modellierten indizierten Moments und eines gemessenen Moments berechnet wird, wobei das gemessene Moment auf Basis von Zylinderdruckmessungen ermittelt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es nur für Luftverhältnisse λ ≥ 0,9 anwendbar ist und somit beispielsweise nicht zum geregelten Betrieb von Katalysatoraufheizkonzepten mit Sekundärluftpumpen verwendet werden kann.Out Norbert Müller, Adaptive engine control in the gasoline engine using combustion chamber pressure sensors, VDI Progress Report Series 12 No. 545, Dusseldorf 2003, pages 108-112 a method is known in which a value for λ is derived from the difference of a modeled one calculated moments and a measured moment is calculated, where the measured torque is based on cylinder pressure measurements is determined. However, this method has the disadvantage that it only for Air ratios λ ≥ 0.9 applicable and thus, for example, not for the controlled operation of Katalysatoraufheizkonzepten with secondary air pumps can be used.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereitzustellen, wobei eine möglichst genaue Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auch für Werte von λ < 0, 9 möglich ist.It is therefore an object of the present invention, a method or a device for determining the air-fuel ratio to provide one as possible accurate determination of air-fuel ratio also for values of λ <0, 9 is possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.These Task is solved by a method according to claim 1 or by a device according to claim 19. The dependent claims define advantageous or preferred embodiments of the present invention Invention.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, eine mindestes einen Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführte Kraftstoffmasse und einen Zylinderdruck in dem mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors zu bestimmen, abhängig von dem Zylinderdruck einen Gesamtumsatz in dem mindestens einen Zylinder zu bestimmen und abhängig von dem Gesamtumsatz und der zugeführten Kraftstoffmasse das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen.According to the invention, for determining an air-fuel ratio of an internal combustion engine, it is proposed to determine a fuel mass supplied to at least one cylinder of the internal combustion engine and a cylinder pressure in the at least one cylinder of the internal combustion engine, depending on the cylinder pressure to determine a total revenue in the at least one cylinder and dependent of the Total sales and the fuel mass supplied to determine the air-fuel ratio.
Zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann dabei insbesondere ein Verhältnis des Gesamtumsatzes zu der zugeführten Kraftstoffmasse, auch als Verbrennungskennwert bezeichnet, herangezogen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass dieser Verbrennungskennwert quadratisch von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis abhängt und somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Verbrennungskennwert bestimmt werden kann.to Determination of the air-fuel ratio can in particular a relationship of total sales to the supplied Fuel mass, also referred to as the combustion characteristic, used become. It has become shown that this combustion characteristic is quadratically dependent on the air-fuel ratio and thus the air-fuel ratio can be determined from the combustion characteristic value.
Eine derartige Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses abhängig von dem Gesamtumsatz und der zugeführten Kraftstoffmasse ermöglicht eine relativ genaue Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auch für Werte des Luftverhältnisses λ < 0,9.A Such determination of the air-fuel ratio depends on the total turnover and the supplied Fuel mass allows a relatively accurate determination of the air-fuel ratio also for values the air ratio λ <0.9.
Der Gesamtumsatz kann insbesondere bestimmt werden, indem ein Summenheizverlauf für den mindestens einen Zylinder bestimmt wird und als Gesamtumsatz der Maximalwert des Summenheizverlaufs bestimmt wird. Der Summenheizverlauf kann dabei insbesondere mittels der Indizierauswertung nach Hohenberg aus dem Verlauf des mindestens einen Zylinderdrucks über einen Kurbelwinkel des mindestens einen Zylinders bestimmt werden. Diese Auswertung ist mit relativ wenig Rechenaufwand in Echtzeit möglich.Of the Total sales can be determined in particular by a cumulative heating process for the at least one cylinder is determined and the total sales of the Maximum value of the Sumheizheizverlaufs is determined. The cumulative heating process can in particular by means of indexing to Hohenberg from the course of the at least one cylinder pressure over a Crank angle of the at least one cylinder can be determined. These Evaluation is possible with relatively little computational effort in real time.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann insbesondere aus einer Abweichung des aus dem Gesamtumsatz und der zugeführten Kraftstoffmasse bestimmten Verbrennungskennwerts von einem modellierten Verbrennungskennwert für λ = 1 bestimmt werden. Der modellierte Verbrennungskennwert kann bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors anhand eines mittels einer Lambda-Sonde gemessenen Werts für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis adaptiert werden. Anstelle einer Sinusfunktion kann die Modulation auch mit anderen Funktionsansätzen erfolgen.The Air-fuel ratio In particular, a deviation of the total sales and the supplied Fuel mass determined combustion characteristic of a modeled Combustion characteristic for λ = 1 determined become. The modeled combustion parameter can be used during operation of the internal combustion engine by means of a lambda probe measured Value for the air-fuel ratio be adapted. Instead of a sine function, the modulation also with other functional approaches respectively.
Zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses können weitere Parameter wie beispielsweise eine Motor- bzw. Kühlwassertemperatur berücksichtigt werden.to Determination of the air-fuel ratio may include other parameters such as For example, considered an engine or cooling water temperature become.
Alternativ kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auch abhängig von einer Steigung des reziproken Verbrennungskennwerts, welcher wie oben angesprochen bestimmt wird, bestimmt werden. Hierzu kann dem Verbrennungsmotor eine insbesondere sinusförmig modulierte Kraftstoffmasse zugeführt werden und eine entsprechende Amplitude des reziproken Verbrennungskennwerts über einen rekursiven Least-Square-Schätzer ermittelt werden. Anstelle einer Sinusfunktion kann die Modulation auch mit anderen Funktionsansätzen erfolgen.alternative can the air-fuel ratio also dependent of a slope of the reciprocal combustion characteristic, which determined as described above. For this purpose can the internal combustion engine, in particular a sinusoidally modulated fuel mass supplied and a corresponding amplitude of the reciprocal combustion characteristic over a recursive least-squares estimator become. Instead of a sine function, the modulation can also with other functional approaches respectively.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nötige Elektronik kann auf einfache Weise in eine Motorsteuerung integriert werden, da die benötigten Signale wie der Zylinderdruck üblicherweise ohnehin gemessen werden.The for the execution the method according to the invention necessary Electronics can be easily integrated into a motor control be as needed Signals like the cylinder pressure usually be measured anyway.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The Invention will now be described with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments explained in more detail. It demonstrate:
Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf
Dazu wird der so genannte Verbrennungskennwert betrachtet. Für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors bezeichnet der Verbrennungskennwert VKW das Verhältnis zwischen dem Gesamtumsatz Qmax, also der gesamten in dem Zylinder umgesetzten Energie, zu der dem Zylinder zugeführten Kraftstoffmasse mk, also For this purpose, the so-called combustion characteristic is considered. For a cylinder of an internal combustion engine, the combustion characteristic value VKW denotes the ratio between the total conversion Qmax, that is to say the total energy converted in the cylinder, to the fuel mass mk supplied to the cylinder, ie
Ein derartiger Wert kann auch für alle Zylinder eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Ottomotors, berechnet werden, indem die Verbrennungskennwerte einzelner Zylinder addiert werden.One Such value can also be for all cylinders of an internal combustion engine, for example a gasoline engine, calculated by the combustion characteristics of individual cylinders be added.
Prinzipiell ist jedoch eine Betrachtung nach Zylindern getrennt vorzuziehen, um schlussendlich auch für jeden Zylinder getrennt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu ermitteln.in principle however, considering cylinders separately is preferable Finally, for each cylinder separately to determine an air-fuel ratio.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird dabei im Folgenden mittels des Luftverhältnisses λ angegeben, welches in der Beschreibungseinleitung in Gleichung (1) definiert wurde.The Air-fuel ratio is given below by means of the air ratio λ, which in the introduction to the description in equation (1) has been defined.
Wie aus Gleichung (2) ersichtlich, muss zur Berechnung des Verbrennungskennwerts der Gesamtumsatz Qmax und die dem Zylinder zugeführte Brennstoffmasse mk bestimmt werden. Dabei wird mk in einem Verbrennungsmotor üblicherweise ohnehin bestimmt bzw. geregelt. Der Gesamtumsatz Qmax kann aus einer Messung des Zylinderdrucks über dem momentanen Zylindervolumen bestimmt werden. Dabei wird als Parameter für das Zylindervolumen üblicherweise der so genannte Kurbelwinkel gemessen, aus welchem sich das Zylindervolumen unmittelbar berechnen lässt.As from equation (2) must be used to calculate the combustion characteristic the total conversion Qmax and the fuel mass mk supplied to the cylinder is determined become. In this case, mk is usually in an internal combustion engine anyway determined or regulated. The total sales Qmax can be from a measurement the cylinder pressure over the current cylinder volume can be determined. It is used as a parameter for the Cylinder volume usually the so-called crank angle measured, from which the cylinder volume can be calculated directly.
Zur Berechnung des Gesamtumsatzes Qmax wird dabei aus der Messung des Zylinderdrucks über dem Zylindervolumen ein so genannter Summenheizverlauf, welcher die durch Verbrennung erzeugte Wärmemenge abzüglich von Verlusten durch Wandwärme der Zylinder oder so genannte Blow-By-Verluste kennzeichnet, berechnet. Dies kann beispielsweise durch die bekannte Auswertung nach Hohenberg erfolgen. Dabei werden aus einer Vielzahl von Messpunkten (pi, Vi), i = 1, 2, ..., N, wobei pi ein bei einem Zylindervolumen Vi vorliegender Zylinderdruck und N eine Anzahl der Messpunkte ist, gemäß bestimmt, wobei cv die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen, R die allgemeine Gaskonstante und κ der Adiabatenexponent sind. κ beträgt bei typischen Gasgemischen etwa 1,33. Die spezifische Wärmekapazität cv kann näherungsweise zu bestimmt werden, wobei T eine Brennraumtemperatur in Kelvin und A eine motorabhängige Konstante ist, welche für Ottomotoren typischerweise 0,1 beträgt.To calculate the total sales Qmax from the measurement of the cylinder pressure over the cylinder volume, a so-called sum heating curve, which characterizes the amount of heat generated by combustion minus losses due to wall heat of the cylinders or so-called blow-by losses, is calculated. This can be done for example by the well-known evaluation to Hohenberg. In this case, from a multiplicity of measuring points (p i , V i ), i = 1, 2,..., N, where p i is a cylinder pressure present at a cylinder volume V i and N is a number of the measuring points where c v is the specific heat capacity at constant volume, R is the general gas constant and κ is the adiabatic exponent. κ is about 1.33 for typical gas mixtures. The specific heat capacity c v can be approximated to where T is a combustion chamber temperature in Kelvin and A is an engine dependent constant which is typically 0.1 for gasoline engines.
Der Summenheizverlauf Q wird dann durch einfache Summierung über den Heizverlauf ΔQi ermittelt: The sum heating curve Q is then determined by simple summation over the heating curve ΔQ i :
Der Gesamtumsatz Qmax ist dann das Maximum des Summenheizverlaufs Q. Das oben beschriebene Verfahren benötigt einen relativ geringen Rechenaufwand und eignet sich daher insbesondere für Echtzeitberechnungen. Es können aber selbstverständlich auch andere Verfahren zur Berechnung des Gesamtumsatzes Qmax bzw. zur Berechnung des Summenheizverlaufs Q verwendet werden.Of the Total revenue Qmax is then the maximum of the cumulative heating Q. The method described above requires a relatively small Computational effort and is therefore particularly suitable for real-time calculations. It can but of course Other methods for calculating the total sales Qmax or be used to calculate the sum of heating Q.
In
In
dem Verbrennungsmotor
Der
Gesamtumsatz Qmax wird ebenso wie die zugeführte Kraftstoffmasse mk, eine
Motordrehzahl nm sowie die Einflüsse
E beschreibende Parameter einer Lambda-Modelliereinrichtung
In
Des
Weiteren wird in einer zweiten Berechnungseinheit
Dieser
Korrekturoffset VKWk kann mittels einer später erläuterten Adaptionsschleife adaptiert
werden und in einem Addierer
In
einer Lambda-Berechnungseinheit
Eine
andere Möglichkeit
zur Berechnung von λ aus
einem gemessenen Verbrennungskennwert VKW soll nun unter Bezugnahme
auf
Entsprechend Gleichung (1) gilt und entsprechend für die Amplitude AΦ According to equation (1) applies and correspondingly for the amplitude A Φ
Aus Gleichungen (9), (12), (13) und (14) lässt sich dann das reziproke Luft-Kraftstoff-Verhältnis Φ und somit ein Wert für das Luftverhältnis λ am Arbeitspunkt gemäß berechnen, wobei die Funktion f gemäß gegeben ist. Die benötigten Koeffizienten c1, c2 werden dabei beispielsweise über eine Messung mit einer Lambda-Sonde adaptiert bzw. bestimmt und in der Motorsteuerung abgespeichert.From equations (9), (12), (13) and (14) can then be the reciprocal air-fuel ratio Φ and thus a value for the air ratio λ at the operating point according to calculate, where the function f according to given is. The required coefficients c1, c2 are adapted or determined, for example, via a measurement with a lambda probe and stored in the engine control.
In
Der
gefilterte reziproke Verbrennungskennwert wird dann einem Least-Square-Schätzer
Eine
weitere Berechnungseinheit
Es
ist zu beachten, dass die beschriebenen Verfahren zur Ermittlung
von λ bevorzugt
getrennt nach Zylindern eingesetzt werden. Es ist aber selbstverständlich auch
möglich,
einen gemittelten Wert des Luftverhältnisses λ für alle Zylinder zu bestimmen.
Die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nötigen Funktionen,
also die verschiedenen Mittel aus
Dabei
wird von einem Verbrennungsmotor
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Ottomotoren, ist prinzipiell aber auch auf andere Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Dieselmotoren anwendbar.The inventive method is particularly suitable for determining the air-fuel ratio in gasoline engines, is in principle also on other internal combustion engines such as diesel engines applicable.
- 11
- Messkurvemeasured curve
- 22
- Messkurvemeasured curve
- 33
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 44
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 55
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 66
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 77
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 88th
- Freigabeeinrichtungrelease device
- 99
- Adaptionseinrichtungadaptation device
- 1010
- Summierersumming
- 1111
- Summierersumming
- 1212
- Modellierungseinrichtungmodeling means
- 1313
- Messkurvemeasured curve
- 1414
- Anregungstimulation
- 1515
- Schwingungvibration
- 1616
- Motorsteuerungmotor control
- 1717
- Mittel zur Verbrennungsanalysemedium for combustion analysis
- 1818
- Mittel zur Lambda-Modellierungmedium for lambda modeling
- 1919
- Mittel zur Lambda-Regelungmedium to lambda control
- 2020
- Mittel zur Lambda-Diagnosemedium for lambda diagnosis
- 2121
- Berechnungseinheitcalculation unit
- 2222
- Filterfilter
- 2323
- Least-Square-SchätzerLeast-squares estimator
- 2424
- Modellierungseinheitmodeling unit
- mkmk
- KraftstoffmasseFuel mass
- mlml
- Luftmasseair mass
- λλ
- Luftverhältnisair ratio
- VKWFMV
- VerbrennungskennwertCombustion parameter
- p(φ)p (φ)
- Zylinderdruckcylinder pressure
- nmnm
- MotordrehzahlEngine speed
- QmaxQmax
- Gesamtumsatztotal sales
- λm.lambda..sub.m
- modelliertes Luftverhältnismodeled air ratio
- λs.lambda..sub.s
- gemessenes Luftverhältnismeasured air ratio
- ee
- EinspritzsignalInjection signal
- ARVKW A RVKW
- Amplitudeamplitude
- VV
- Gewichtungsfaktorweighting factor
- RVKWRVKW
- reziproker Verbrennungskennwertreciprocal Combustion parameter
- psps
- Ansaugdrucksuction
- ZWZW
- Zündwinkelfiring angle
- VKWkVKWk
- Korrekturwertcorrection value
- VKWtVKWt
- berechneter Verbrennungskennwertcalculated Combustion parameter
- VKWmVKWm
- gemessener Verbrennungskennwertmeasured Combustion parameter
- ΔVKWΔVKW
- VerbrennungskennwertsdifferenzCombustion characteristic value difference
- Twtw
- KühlwassertemperaturCooling water temperature
Claims (21)
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- 2004-09-17 DE DE200410045154 patent/DE102004045154A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R084 | Declaration of willingness to license | ||
R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20110716 |
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R084 | Declaration of willingness to license |
Effective date: 20110716 |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20141209 |