DE102004049737A1

DE102004049737A1 - Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004049737A1
Application number: DE200410049737
Authority: DE
Inventors: Andreas Kerschbaummayr; Thomas Fortner; Michael Dr. Schinnerl; Christian Ertl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-06-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens, wobei der Frischluftmassenstrom im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors stromaufwärts vor einer Druckstufe gemessen wird und der Frischluftmassenstrom am oder nach dem Ausgang des Speichervolumens anhand dieses Frischluftmassenstrom-Messwertes unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Drücke vor und nach der Druckstufe berechnet wird. Erfindungsgemäß wird die Berechnung mittels eines nichtlinearen Systems mit zwei Differentialgleichungen vorgenommen, wobei mindestens eine der Differentialgleichungen auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens basiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE 199 38 260 A1 bekannt. Bei der Berechnung der in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingespeisten Frischluftmasse wird ein Frischluftmassenstrom stromaufwärts vor einer Druckstufe gemessen und die anhand dieses Messwertes berechnete Frischluftmasse wird unter Berücksichtigung der verschiedenen Drücke vor und nach der Druckstufe korrigiert. Die Berechnung des Frischluftmassenstroms erfolgt über eine Differentialgleichung, die durch die Luftmassenstrombilanz festgelegt ist. Der zur Berechnung notwendige Druck im Speichervolumen wird mittels eines nachdem Speichervolumen angeordneten Drucksensors gemessen.

Weiter ist aus der WO 96/32579 ebenfalls ein Verfahren zur Bestimmung der in den Zylinder einströmenden Luftmasse bekannt, wobei die Berechnung ebenfalls auf Basis der Luftmassenbilanz im Ansaugkanal basiert. Zusätzlich wird eine Modellgröße für den Luftmassenstrom an der Druckstufe mit Hilfe der Durchflussgleichung idealer Gase durch die Druckstufe beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens, wobei der Frischluftmassenstrom im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors stromaufwärts vor einer Druckstufe gemessen wird und der Frischluftmassenstrom am oder nach dem Ausgang des Speichervolumens anhand dieses Frischluftmassenstrom- Messwertes unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Drücke vor und nach der Druckstufe berechnet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Berechnung mittels eines nichtlinearen Systems mit zwei Differentialgleichungen vorgenommen wird, wobei mindestens eine der Differentialgleichungen auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens basiert.

Diese Art der Modellierung liefert einen äußert exakten Wert des stromabwärts am oder nach dem Ausgang des Speichervolumens vorliegenden Frischluftmassenstroms. Die Modellierung kann in einem ohnehin vorhandenen Motorsteuergerät durchgeführt werden. Durch Integrieren des berechneten Frischluftmassenstroms im Motorsteuergerät ergibt sich daraus ein genauerer Wert der vorliegenden Frischluftmasse, welche zur Steuerung der Kraftstoff-Einspritzmasse, oder falls der Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungseinheit ausgestattet ist, zur Steuerung eines das Abgas zuführenden Abgasrückführungsventils notwendig ist. Somit ergeben sich auch bessere Emissionswerte bei dynamischen Vorgängen des Verbrennungsmotors.

Vorteilhafterweise beschreibt die auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens basierende Differentialgleichung die im Speichervolumen herrschende infinitesimale Druckableitung. Durch diesen Zusammenhang kann der Druck im Speichervolumen durch numerische Berechung ermittelt werden. Somit ist kein Sensor zur Ermittlung des im Speichervolumen herrschenden Drucks notwendig.

Bei einem Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, die zumindest ein Abgasrückführungsventil nach dem Speichervolumen umfasst, kann der Druck nach dem Speichervolumen, der für die Berechnung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal liegenden Speichervolumens benötigt wird, modelliert werden. Der Druck bzw. Ladedruck nach dem Speichervolumen und vor dem Abgasrückführungsventil kann derart modelliert werden, dass er mit dem gemessenen Druck nach dem Abgasrückführungsventil gleichgesetzt wird. Der Druckunterschied ist vernachlässigbar.

Die zweite Differentialgleichung beschreibt vorteilhafterweise den Luftmassenstrom im Speichervolumen auf der Basis der Luftmassenstrombilanz. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen der im Speichervolumen gespeicherten Luftmasse beziehungsweise des Luftmassenstroms und den einströmenden und ausströmenden Luftmassen beziehungsweise der Luftmassenströme dargestellt, wobei der einströmende Luftmassenstrom mittels eines Frischluftmassensensors gemessen wird.

Somit ergibt sich ein nichtlineares System mit zwei Differentialgleichungen für das Modell nach der Füll- und Entleermethode zur Berechnung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens, die wie folgt lauten:

und ṁB = WHFM – WFL. (Gl. 2)

Die genaue Herleitung der beiden Differentialgleichungen ergibt sich aus der Figurenbeschreibung.

Die fehlenden Größen der beiden Differentialgleichungen werden durch algebraische Zusammenhänge, vorteilhafterweise durch die allgemein gültige Isentropengleichung, die ideale Gasgleichung und durch eine Drosselfunktion an einer fiktiven Drosselstelle am Ausgang des Speichervolumens in Abhängigkeit vom Druck im Speichervolumen beschrieben.

Vorteilhafterweise ist die Druckstufe im Ansaugkanal ein Verdichter. Der Verdichter kann bspw. über einen Abgasturbolader betrieben werden. Es wäre aber auch möglich, dass die Druckstufe als Drosselklappe ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vor allem bei einem Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung zur Bestimmung des an einem Abgasrückführungsventil anliegenden Frischluftmassenstroms verwendet. Die Berechnung der Frischluftmasse wird vorteilhafterweise im Motorsteuergerät vorgenommen, an dem die zur Berechnung notwendigen Sensorsignale als Eingangssignale anliegen. Umfasst der Ansaugkanal des Verbrennungsmotors nach dem Speichervolumen zusätzlich ein Abgasrückführungsventil, wird vorteilhafterweise für die Berechnung zumindest einer der Differentialgleichungen angenommen, dass der Druck vor dem Abgasrückführungsventil gleich dem Druck nach dem Abgasrückführungsventil ist. Dies führt zu einer wesentlich vereinfachten Berechnung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen vereinfachten Aufbau eines Ansaugkanals eines Verbrennungsmotors mit Turbolader und einer Abgasrückführungseinheit.
In der Figur ist ein Ansaugkanal 1 eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors dargestellt, durch den Frischluft L mit einer Umgebungstemperatur T_u und einem Umgebungsdruck p_u angesaugt wird. Die Umgebungstemperatur T_u und der Umgebungsdruck p_u werden mittels Sensoren erfasst. Der in den Ansaugkanal einströmende Frischluftmassestrom W_HFM wird mittels eines Frischluftmassensensors HFM stromaufwärts vor einer Druckstufe V gemessen, wobei die Druckstufe V als ein durch einen Abgasturbolader betriebenen Verdichter V ausgebildet ist.
Durch den Verdichter V verändert sich die Temperatur der Frischluftmasse vor und nach dem Verdichter von der Umgebungstemperatur T_u zur Speichervolumen-Eingangstemperatur T₂₀.
Die das Speichervolumen B durchströmende Frischluft L ist durch das Volumen V_B des Speichervolumens B, der Frischluftmasse m_B im Speichervolumen B, der Speichervolumen-Temperatur T_B und dem Speichervolumen-Druck p_B gekennzeichnet.
Am Ausgang des Speichervolumens B ist die durchströmende Frischluft L durch den Frischluftmassenstrom W_FL am oder nach dem Ausgang des Speichervolumens B und die Speichervolumen-Temperatur T_B gekennzeichnet.
Am Ende des Ansaugkanals 1 wird die Frischluft L mit einer über ein Abgasrückführungsventil AGR einströmenden Abgas A gemischt. Dieses Luftgemisch G aus Frischluft L und Abgas A wird einem hier nicht mehr dargestellten Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt.
Für die Bestimmung des Frischluftmassenstroms W_FL stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal 1 des Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens B wird davon ausgegangen, dass die Speichervolumen-Eingangstemperatur T₂₀ durch die bekannte Isotopengleichung über den Verdichter V beschrieben werden kann. Für die Isotopengleichung wird angenommen, dass nach dem Verdichter V der Ladedruck p_L und vor dem Verdichter V der Umgebungsdruck p_u anliegt. Der Ladedruck p_L wird, wie auch der Umgebungsdruck p_u, durch einen Sensor erfasst. Weiter wird davon ausgegangen, dass der Speichervolumen-Druck p_B im gesamten Speichervolumen konstant ist und die Ausgangstemperatur aus dem Speichervolumen B gleich der Speichervolumen-Temperatur T_B ist. Weiter wird bei der Berechnung Vorausgesetzt, dass der Ladedruck p_L nach dem Abgasrückführungsventil AGR dem Druck vor dem Abgasrückführungsventil AGR gleichgesetzt wird. Der Druckunterschied über das Abgasrückführungsventil AGR kann vernachlässigt werden.
Das aus den zwei Differentialgleichungen bestehende Modell zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms W_FL stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal 1 des Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens B basiert auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens B, wobei bei der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse die sich ändernde innere Energie dU und die sich ändernde Enthalpie dH des Luftmassenstroms berücksichtigt wird. Somit gilt der Zusammenhang dH – dU = 0. (Gl. 3)
Die innere Energie dU des Speichervolumens B wird durch zwei Vorgänge verändert. Zum einen ändert sich die Wärmeenergie durch die in das Speichervolumen B ein- und ausströmende Energie, die durch die Betrachtung eines differentiellen Massenelements dm berücksichtigt werden kann. Zum anderen ändert sich die innere Energie dU durch die Verschiebearbeit eines infinitesimalen Volumens dV. Somit lässt sich die Bilanz der inneren Energie dU im Speichervolumen B nach dem ersten Hauptsatz der Wärmelehre durch die Gleichung dU = d(mB·uB) = dmin·uin – dmout·uout + pin·dVin – pout·dVout (Gl.4)beschreiben, wobei

dm_in und dm_out: ein in das Speichervolumen B einsströmendes und ausströmendes Massenelement,
u_in und u_out: ein durch die spezifische Wärmekapazität c und die Temperatur T des einströmenden und ausströmenden Massenelements bestimmter innerer Energiefaktor,
p_in und p_out: der Druck des einsströmenden und ausströmenden Massenelements und
dV_in und dV_out: ein einströmendes und ausströmendes differentielles Volumenelement sind.

Formt man diese Gleichung 4 mit Hilfe der bekannten Gleichungen m = ρ·V und u = cν·Tum, so ergibt sich dU = d(mB·uB) = d(ρB·VB·cV·TB) = VB·cV·d(ρB·TB) (Gl.5)wobei V_B und c_v konstant sind.
Ersetzt man nun (ρ_B·T_B ) aus der Gleichung 5 unter Anwendung der idealen Gasgleichung durch
wobei R die allgemeine Gaskonstante ist, erhält man
Im Folgenden wird die Enthalpie H der Frischluftmasse betrachtet. Unter der Annahme, dass der Speichervolumen-Druck p_B im gesamten Speichervolumen B konstant ist, also dp = 0 ist, ergibt sich für die differentielle Enthalphie dH = dU + p·dV = dmin·hin – dmout·hout. (Gl.7)
Mit h = c_p·T lässt sich die Gleichung 7 in dH = dmin·hin – dmout·hout = dmin·cp·Tin – dmout·cp·Tout (Gl. 8)umformen.
Durch Einsetzen der Gleichungen 6 und 8 in die Gleichung 3 ergibt sich folgender Zusammenhang:
Löst man diese Gleichung nach dp_B auf und bildet die erste zeitliche Ableitung, so ergibt sich die Differentialgleichung
Unter Verwendung von
vereinfacht sich die Gleichung 9 zu
Die zweite Differentialgleichung beschreibt den Luftmassenstrom im Speichervolumen B auf der Basis der Luftmassenstrombilanz und lautet: ṁB = WHFM – WFL (Gl. 2)Dadurch wird der Zusammenhang zwischen der im Speichervolumen B gespeicherten Luftmasse beziehungsweise des Luftmassenstroms ṁ_B und den einströmenden und ausströmenden Luftmassen beziehungsweise den Luftmassenströmen W_HFM und W_FL dargestellt, wobei der einströmende Luftmassenstrom W_HFM mittels eines Frischluftmassensensors HFM gemessen wird.
Somit ergibt sich ein nichtlineares System mit den zwei Difterentialgleichungen 1 und 2 für das Modell nach der Füll- und Entleermethode zur Berechnung des Frischluftmassenstroms W_FL stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens.
Die fehlenden Größen der beiden Differentialgleichungen werden durch algebraische Zusammenhänge beschrieben. So wird die in der Differentialgleichung 1 benötigte Speichervolumen-Eingangstemperatur T₂₀ durch die allgemein gültige Isentropenbeziehung über den Verdichter beschrieben und lautet somit
Die ebenfalls noch unbekannte Speichervolumen-Temperatur T_B erhält man über die ideale Gasgleichung. Sie ist durch
bestimmbar, wobei zur Bestimmung der Speichervolumen-Temperatur T_B mit der Gleichung 11 die noch unbekannte Frischluftmasse m_B im Speichervolumen bestimmt werden muss. Die noch unbekannte Frischluftmasse m_B im Speichervolumen wird durch Aufintegrieren des Frischluftmassenstroms aus der Gleichung 2, also durch Aufintegrieren von ṁB = WHFM – WFL (Gl. 2)bestimmt.
Der für die zweite Differentialgleichung 2 benötigte Frischluftmassenstrom W_FL wird durch den Ausfluss durch eine fiktive Drosselstelle am Ausgang des Speichervolumens B durch die Gleichung
modelliert. Co ist ein Korrekturfaktor für den Zusammenhang zwischen der tatsächlichen geometrischen Drosselfläche und der für das Modell richtigen Drosselfläche. Dieser Korrekturfaktor C_D wird anhand von Messungen bestimmt. Y beschreibt die nachfolgende Drosselfunktion, die sich in Abhängigkeit des vorherrschenden Druckquotienten aus dem nach dem Verdichter V herrschenden Ladedrucks p_L und dem Speichervolumen-Druck p_B im gesamten Speichervolumen B in zwei Bereiche unterteilt, nämlich
und
Durch numerische Berechnung der beiden Differentialgleichungen 1 und 2 kann unter Verwendung der weiteren Gleichungen 10–12 der Frischluftmassenstrom stromabwärts am oder nach dem Ausgang des im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens B eindeutig bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms stromabwärts am oder nach dem Ausgang eines in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors liegenden Speichervolumens, wobei der Frischluftmassenstrom im Ansaugkanal des Verbrennungsmotors stromaufwärts vor einer Druckstufe gemessen wird und der Frischluftmassenstrom am oder nach dem Ausgang des Speichervolumens anhand dieses Frischluftmassenstrom- Messwertes unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Drücke vor und nach der Druckstufe berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung mittels eines nichtlinearen Systems mit zwei Differentialgleichungen (Gl. 1, Gl. 2) vorgenommen wird, wobei mindestens eine der Differentialgleichungen (Gl. 1) auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens (Gl. 3) basiert.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Bilanzierung der einströmenden und ausströmenden Energieflüsse des Speichervolumens (Gl. 3) basierende Differentialgleichung (Gl. 1) den im Speichervolumen (B) herrschenden infinitesimalen Druck (ṗ_Β) beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Differenzialgleichung (Gl. 2) den Luftmassenstrom im Speichervolumen (ṁ_B ) auf der Basis der Luftmassenstrombilanz im Ansaugkanal beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fehlenden Größen (T₂₀, T_B, W_FL) der beiden Differentialgleichungen (Gl. 1, Gl. 2) aus der Isentropengleichung (Gl. 10) und/oder über die ideale Gasgleichung (Gl. 11) und/oder durch eine Drosselfunktion (Gl. 12) an einer fiktiven Drosselstelle am Ausgang des Speichervolumens (B) in Abhängigkeit vom Druck (p_B) im Speichervolumen beschrieben werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstufe (V) ein Verdichter ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (1) des Verbrennungsmotors nach dem Speichervolumen (B) zusätzlich ein Abgasrückführungsventil (AGR) umfasst und für die Berechnung zumindest einer der Differentialgleichungen (Gl. 1, Gl. 2) angenommen wird, dass der Druck vor dem Abgasrückführungsventil (AGR) gleich dem Druck (p_L) nach dem Abgasrückführungsventil (AGR) ist.