DE102005045925A1

DE102005045925A1 - Luftmassendurchflussschätzung anhand des Krümmerabsolutdrucks

Info

Publication number: DE102005045925A1
Application number: DE102005045925A
Authority: DE
Inventors: Ljubisa M. Ann Arbor Mladenovic; Kenneth J. Brighton Buslepp; Douglas E. Hartland Trombley
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: US20060069490A1; US7027905B1; DE102005045925B4

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Steuerungssystem, das einen Luftmassendurchfluss durch ein Drosselventil einer Brennkraftmaschine (ICE) mit einem Einlasskrümmer bestimmt, und einen Rechner, der anhand der Drosselklappenstellung einen geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet, sowie ein Einstellmodul, das einen Einstellwert bestimmt, umfasst. Der Einstellwert basiert auf dem geschätzten Luftmassendurchfluss, einem geschätzten Krümmerabsolutdruck und einem gemessenen Krümmerabsolutdruck. Ein Multiplizierer multipliziert den geschätzten Luftmassendurchfluss mit dem Einstellwert, um den Luftmassendurchfluss zu bestimmen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Schätzen des Luftmassendurchflusses durch ein Drosselventil eines Fahrzeugs und insbesondere auf das Schätzen des Luftmassendurchflusses anhand des Krümmerabsolutdrucks.
Eine Brennkraftmaschine (ICE, internal combustion engine) wird anhand von Krümmerabsolutdruck-(MAP, manifold absolute pressure)- und Luftmassendurchfluss-(MAF, mass air flow)-Signalen, die durch MAP- bzw. MAF-Sensoren erzeugt werden, gesteuert. Eine Steuereinrichtung steuert die Emissionen und die Motorleistungscharakteristik der ICE anhand der MAP- und MAF-Signale. Beispielsweise können kritische Parameter wie etwa das Luft/Kraftstoff-(L/K)-Verhältnis durch Kenntnis der für die Verbrennung verfügbaren Luftmasse eingestellt werden.

MAF-Sensoren sind im Handel erhältlich und bei einer ICE verwendet worden, um die erforderlichen MAF-Informationen zu liefern. Jedoch sind MAF-Sensoren im Vergleich zu anderen in der ICE ausgeführten Sensoren relativ teuer. Daher sind alternative Techniken zum Bestimmen des MAF in die ICE entwickelt worden. Zwei herkömmliche Techniken sind die Drehzahldichtetechnik und die Drosselklappenstellungstechnik. Die Drehzahldichtetechnik bestimmt den MAF anhand des MAP, der Motordrehzahl und der Ansauglufttemperatur. Die Drosselklappenstellungstechnik bestimmt den MAF anhand der Drosselklappenstellung und der Motordrehzahl.

Obwohl die herkömmlichen Techniken einen MAF-Sensor überflüssig machen, sind sie nicht so genau, wie es wünschenswert wäre. Diese Ungenauigkeit rührt von einer nicht korrekten Schätzung des MAF unter Übergangsbedingungen beim Gasgeben her. Unter Übergangsbedingungen beim Gasgeben ist eine endliche Zeitspanne erforderlich, um den MAF zu berechnen und die Kraftstoffeingabe einzustellen. Der MAF kann sich infolge der dynamischen Eigenschaft der ICE während dieser Zeit stark verändern. Auch unter statischen Bedingungen führen die herkömmlichen Techniken zu von Takt zu Takt oder von Zyklus zu Zyklus unterschiedlichen Messwerten. Genauer gesagt führen Luftdurchflusspulsationen, die auftreten, wenn die ICE Luft in die Zylinder saugt, und Verzögerungen bei der Verarbeitung von Sensorinformationen zu solchen Unterschieden von Zyklus zu Zyklus.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Steuerungssystem bereit, das den Luftmassendurchfluss durch ein Drosselventil einer Brennkraftmaschine (ICE) mit einem Einlasskrümmer bestimmt. Das Steuerungssystem umfasst einen Rechner, der anhand einer Drosselklappenstellung einen geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet, und ein Adaptionsmodul, das einen Einstellwert bestimmt. Der Einstellwert basiert auf dem geschätzten Luftmassendurchfluss, einem geschätzten Krümmerabsolutdruck und einem gemessenen Krümmerabsolutdruck. Ein Multiplizierer multipliziert den geschätzten Luftmassendurchfluss mit dem Einstellwert, um den Luftmassendurchfluss zu bestimmen.

Nach einem Merkmal umfasst das Steuerungssystem ferner einen Rechner, der den geschätzten Krümmerabsolutdruck berechnet.

Nach einem anderen Merkmal umfasst das Steuerungssystem ferner einen Motordrehzahlsensor, der ein Motordrehzahlsignal erzeugt, und einen Ein lasskrümmertemperatursensor, der ein Einlasskrümmertemperatursignal erzeugt. Der geschätzte Krümmerabsolutdruck basiert auf dem Motordrehzahlsignal und dem Einlasskrümmertemperatursignal.

Nach einem weiteren Merkmal umfasst das Steuerungssystem ferner einen Multiplizierer, der eine Einstelleingabe als Produkt aus dem geschätzten Luftmassendurchfluss und einem Krümmerabsolutdruckfehler berechnet. Der Krümmerabsolutdruckfehler wird als Differenz zwischen dem geschätzten Krümmerabsolutdruck und dem gemessenen Krümmerabsolutdruck berechnet.

Nach einem nochmals weiteren Merkmal ist das Adaptionsmodul ein Integrierer, der eine Einstelleingabe, die auf dem geschätzten Luftmassendurchfluss und einem Krümmerabsolutdruckfehler basiert, integriert. Das Adaptionsmodul integriert die Einstelleingabe und multipliziert sie mit einer Verstärkung.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Brennkraftmaschinen-(ICE)-Systems gemäß der Erfindung;
2 ein Ablaufplan, der eine Luftmassendurchflussschätzung gemäß der Erfindung zeigt; und
3 ein Ablaufplan, der Schritte der Luftmassendurchflussschätzung zeigt.
Der Begriff "Modul" und/oder "Vorrichtung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität besitzen.
Wie zunächst 1 gezeigt ist, umfasst ein Fahrzeug 10 eine Brennkraftmaschine 12 mit einem Einlasskrümmer 14. Ein Drosselventil 16 regelt den Luftstrom in den Einlasskrümmer 14. Genauer gesagt ist eine Drosselklappe 18 gelenkig angebracht, die anhand einer Fahrereingabe (nicht gezeigt) den Luftdurchfluss durch das Drosselventil 16 reguliert. Der Einlasskrümmer 14 lenkt den Luftstrom in Zylinder 20 des Motors 12. Obwohl ein einziger Zylinder 20 gezeigt ist, kann der Motor 12 selbstverständlich mehrere Zylinder (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12) umfassen. Die Luft, die in die Zylinder 20 strömt, wird mit Kraftstoff vermischt, wobei das Gemisch in den Zylindern verbrannt wird, um Kolben (nicht gezeigt) anzutreiben, die das Antriebsmoment erzeugen.
Ein Steuerungssystem regelt den Betrieb des Motors auf der Grundlage der sensorlosen Steuerung der vorliegenden Erfindung. Genauer überwacht und regelt eine Steuereinrichtung 22 den Motorbetrieb auf der Grundlage der Verarbeitung mehrerer Eingaben gemäß der sensorlosen Steuerung. Die Steuereinrichtung 22 umfasst im Allgemeinen eine softwarebasierte Verarbeitung.
Ein Drosselklappenstellungssensor 24 erzeugt ein Drosselklappenstellungssignal (THR_POS), während ein Krümmerabsolutdruck-(MAP)-Sensor 26 ein MAP-Signal (MAP_MEAS) erzeugt, die von der Steuereinrichtung 22 empfangen werden. Ein Einlasskrümmertemperatursensor 28 erzeugt ein Einlasskrümmertemperatursignal (T_MAN), während ein Motordrehzahlsensor 30 ein Motordrehzahlsignal (RPM) erzeugt, die von der Steuereinrichtung 22 empfangen werden. Ein Umgebungsdrucksensor 32 erzeugt ein Umgebungsdrucksignal (P_AMB), das von der Steuereinrichtung 22 empfangen wird. Die Steuereinrichtung 22 verarbeitet die verschiedenen Signale gemäß der sensorlosen Steuerung und erzeugt darauf basierend wenigstens ein Befehlssignal. Der Motorbetrieb wird auf der Grundlage des wenigstens einen Befehlssignals gesteuert.
Die sensorlose Steuerung der Erfindung wird nun mit Bezug auf 2 genau beschrieben. Im Schritt 100 berechnet die Steuerung anhand von THR_POS einen geschätzten Luftmassendurchfluss (MAF_EST). Genauer wird anhand von THR_POS eine Drosselventilfläche (A_THROTTLE) bestimmt. A_THROTTLE kann anhand von THR_POS aus einer Verweistabelle bestimmt werden oder durch Verarbeitung von THR_POS durch ein mathematisches Modell des Drosselventils 16 berechnet werden. MAF_EST wird auf der folgenden Gleichung basierend berechnet:
Die Steuerung bestimmt im Schritt 102 anhand von MAF_EST und einem Einstellfaktor (ADJ) einen eingestellten Luftmassendurchfluss (MAF_ADJ). Im Schritt 104 betreibt die Steuerung das Fahrzeug auf der Grundlage von MAF_ADJ. Genauer kann die Steuerung auf der Grundlage von MAF_ADJ Motorbetriebsparameter verändern, um das gewünschte Antriebsdrehmoment oder die gewünschten Emissionen zu erzeugen.
Die Steuerung berechnet im Schritt 106 anhand von MAF_ADJ einen geschätzten Krümmerabsolutdruck (MAP_EST). MAF_ADJ wird zum Berechnen von MAP_EST in ein Modell der Einlasskrümmer-Befülldynamik eingegeben. Das Folgende ist eine exemplarische Gleichung der Einlasskrümmer-Befülldynamik:
wobei:

k: = momentaner Zeitschritt;
k+1: = künftiger Zeitschritt;
MAP(k): = MAP_EST (d. h. MAP im momentanen Zeitschritt);
MAP(k+1): = MAP_EST (d. h. MAP im künftigen Zeitschritt);
V_EFF: = volumetrischer Wirkungsgrad;
V_CYL: = Volumen eines einzelnen Zylinders;
V_MAN: = Einlasskrümmervolumen;
R: = Gaskonstante; und
N_CYL: = Anzahl der Zylinder.

V_EFF ist eine nichtlineare Funktion, die auf MAP und RPM basiert. Obwohl V_EFF vorzugsweise aus einer im Speicher gespeicherten Verweistabelle bestimmt wird, ist vorgesehen, V_EFF auch durch die Steuereinrichtung 22 zu berechnen.
Im Schritt 108 berechnet die Steuerung anhand von MAP_EST und MAP_MEAS einen Krümmerabsolutdruckfehler (MAP_ERROR). Genauer ist MAP_ERROR die Differenz zwischen MAP_EST und MAP_MEAS. Wenn MAP_ERROR null ist, sind daher MAP_EST und MAP_MEAS gleich. Die Steuerung bestimmt im Schritt 110 anhand von MAP_ERROR und MAF_EST eine Einstelleingabe (ADJ_INPUT). ADJ_INPUT wird als Produkt aus MAP_ERROR und MAF_EST bestimmt. Im Schritt 112 bestimmt die Steuerung ADJ anhand von ADJ_INPUT. ADJ wird vor zugsweise durch zeitliches Integrieren (d. h. Summieren) von ADJ_INPUT und Multiplizieren mit einer Verstärkung bestimmt. Da die sensorlose Steuerung auf einem System erster Ordnung basiert, kann die Verstärkung ein beliebiger Wert sein, ohne die Stabilität zu beeinflussen. ADJ kann null, positiv oder negativ sein. Im Allgemeinen schwankt ADJ in den positiven und negativen Bereichen um null. Ein positiver ADJ schiebt das Krümmerbefüllmodell nach oben, bis MAP_ERROR null ist. Ein negativer ADJ schiebt das Krümmerbefüllmodell nach unten, bis MAP_ERROR null ist.
In 3 ist nun die sensorlose Steuerung näher gezeigt. Ein Rechner 40 berechnet, wie oben beschrieben worden ist, MAF_EST anhand von THR_POS. MAF_EST wird an einen ersten Multiplizierer 42 und an einen zweiten Multiplizierer 44 ausgegeben. Der erste Multiplizierer 42 multipliziert MAF_EST mit ADJ, um MAF_ADJ zu liefern. MAF_ADJ wird an eine Steuereinrichtung wie etwa die Steuereinrichtung 22 und an einen Rechner 46 ausgegeben. Die Steuereinrichtung bestimmt anhand von MAF_ADJ wenigstens ein Befehlssignal zum Betreiben des Fahrzeugs.
Der Rechner 46 berechnet, wie oben beschrieben worden ist, MAP_EST anhand von MAF_ADJ. MAP_EST wird an einen Summierer 48 ausgegeben, der MAP_ERROR anhand der Differenz zwischen MAP_EST und MAP_ERROR bestimmt. MAP_ERROR wird an den zweiten Multiplizierer 44 ausgegeben. Der zweite Multiplizierer 44 multipliziert MAF_EST mit MAP_ERROR, um ADJ_INPUT zu liefern. ADJ_INPUT wird an ein Adaptionsmodul 50 ausgegeben, das als Integrierer vorgesehen sein kann. Das Adaptionsmodul 50 integriert ADJ_INPUT, um ADJ zu liefern, das an den ersten Multiplizierer 42 ausgegeben wird.
Durch Implementieren der sensorlosen Steuerung der Erfindung kann ein MAF-Sensor entfallen. Im Ergebnis kann die Anzahl von Komponenten verringert werden, wodurch die Komponentenkosten und die Herstellungskosten gesenkt werden können. Die sensorlose Steuerung der Erfindung schafft außerdem insofern, dass MAF_ADJ auch dann, wenn der TPS nicht korrekt arbeitet, genau ist, ein robustes Steuerungssystem. Der Grund dafür ist, dass die sensorlose Steuerung auf dem MAP-Signal basiert.
Es ist jedoch vorgesehen, die sensorlose Steuerung der Erfindung auch parallel zu einem MAF-Sensor (nicht gezeigt) zu implementieren. Insbesondere verbessert die sensorlose Steuerung, wenn sie parallel zu einem MAF-Sensor implementiert ist, die Zuverlässigkeit. Beispielsweise kann MAF_ADJ mit dem MAF-Sensorsignal verglichen werden, um sicherzustellen, dass das MAF-Sensorsignal vernünftig ist, und um sich zu vergewissern, der MAF-Sensor korrekt arbeitet. Außerdem kann die sensorlose Steuerung als Ersatz-MAF-Eingabe implementiert sein, weshalb die Fahrzeugsteuerung im Fall, dass sich der MAF-Sensor nicht betreiben lässt, nicht unterbrochen wird.
Zusammengefasst wird ein Steuerungssystem bereitgestellt, das einen Luftmassendurchfluss durch ein Drosselventil einer Brennkraftmaschine (ICE) mit einem Einlasskrümmer bestimmt und einen Rechner, der anhand der Drosselklappenstellung einen geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet, sowie ein Einstellmodul, das einen Einstellwert bestimmt, umfasst. Der Einstellwert basiert auf dem geschätztem Luftmassendurchfluss, einem geschätzte Krümmerabsolutdruck und einem gemessenen Krümmerabsolutdruck. Ein Multiplizierer multipliziert den geschätzten Luftmassendurchfluss mit dem Einstellwert, um den Luftmassendurchfluss zu bestimmen.

Claims

Steuerungssystem, das einen Luftmassendurchfluss durch ein Drosselventil (16) einer Brennkraftmaschine (ICE) mit einem Einlasskrümmer (14) bestimmt, umfassend: einen Rechner (40), der anhand einer Drosselklappenstellung einen geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet, ein Einstellmodul, das anhand des geschätzten Luftmassendurchflusses, eines geschätzten Krümmerabsolutdrucks und eines gemessenen Krümmerabsolutdrucks einen Einstellwert bestimmt, und einen Multiplizierer (42), der den geschätzten Luftmassendurchfluss mit dem Einstellwert multipliziert, um den Luftmassendurchfluss zu bestimmen.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Rechner (46) umfasst, der den geschätzten Krümmerabsolutdruck berechnet.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Motordrehzahlsensor (30), der ein Motordrehzahlsignal erzeugt, und einen Einlasskrümmertemperatursensor (28), der ein Einlasskrümmertemperatursignal erzeugt, wobei der geschätzte Krüm merabsolutdruck auf dem Motordrehzahlsignal und dem Einlasskrümmertemperatursignal basiert.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Multiplizierer (44) umfasst, der eine Einstelleingabe als Produkt aus dem geschätzten Luftmassendurchfluss und einem Krümmerabsolutdruckfehler berechnet.
Steuerungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmerabsolutdruckfehler als Differenz zwischen dem geschätzten Krümmerabsolutdruck und dem gemessenen Krümmerabsolutdruck bestimmt wird.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionsmodul (50) ein Integrierer ist, der eine Einstelleingabe, die auf dem geschätzten Luftmassendurchfluss und einem Krümmerabsolutdruckfehler basiert, integriert.
Steuerungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionsmodul (50) die Einstelleingabe integriert und dann mit einer Verstärkung multipliziert.
Fahrzeug (10) mit einer Drosselklappe (18), die einen Luftmassenstrom in einen Einlasskrümmer (14) eines Motors (12) reguliert, umfassend: eine Drosselklappe (18), die den Luftstrom in den Einlasskrümmer (14) reguliert, einen Drosselklappenstellungssensor (24), der die Stellung der Drosselklappe (18) überwacht und ein Drosselklappenstellungssignal erzeugt, und eine Steuereinrichtung (22) die anhand des Drosselklappenstellungssignals einen geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet, anhand des geschätzten Luftmassendurchflusses und eines Einstellwerts den Luftmassendurchfluss berechnet und das Fahrzeug auf der Grundlage des Luftmassendurchflusses betreibt.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) den Luftmassendurchfluss anhand eines geschätzten Krümmerabsolutdrucks berechnet.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Krümmerabsolutdruck ferner auf einem vorhergehenden Wert des Luftmassendurchflusses, einem volumetrischen Wirkungsgrad des Motors (12), einem Volumen des Einlasskrümmers (14) und einer Temperatur des Einlasskrümmers (14) basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwert auf einem Krümmerabsolutdruckfehler und dem geschätzten Luftmassendurchfluss basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) den Krümmerabsolutdruckfehler als Differenz zwischen dem geschätzten Krümmerabsolutdruck und einem gemessenen Krümmerabsolutdruck berechnet.
Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Krümmerabsolutdrucksensor (26) umfasst, der ein Signal für gemessenen Krümmerabsolutdruck erzeugt.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) ein Produkt aus dem geschätzten Krümmerabsolutdruckfehler und dem geschätzten Luftmassendurchfluss berechnet und das Produkt zeitlich integriert, um den Einstellwert zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) das Produkt mit einer Verstärkung multipliziert.
Verfahren zum Bestimmen eines Luftmassendurchflusses in einen Einlasskrümmer (14) eines Motors (12), umfassend: Berechnen eines geschätzten Luftmassendurchflusses anhand einer Drosselventilfläche, Bestimmen eines Einstellwerts anhand des geschätzten Luftmassendurchflusses, eines geschätzten Krümmerabsolutdrucks und eines gemessenen Krümmerabsolutdrucks und Berechnen des Luftmassendurchflusses anhand des geschätzten Luftmassendurchflusses und des Einstellwerts.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Steuern des Motors (12) auf der Grundlage des Luftmassendurchflusses.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Krümmerabsolutdruck auf einem vorhergehenden Wert des Luftmassendurchflusses basiert.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte Krümmerabsolutdruck ferner auf einem volumetrischen Wirkungsgrad des Motors (12), einem Volumen des Einlasskrümmers (14) und einer Temperatur des Einlasskrümmers (14) basiert.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwert auf einem Krümmerabsolutdruckfehler und dem geschätzten Luftmassendurchfluss basiert.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Berechnen des Krümmerabsolutdruckfehlers als Differenz zwischen dem geschätzten Krümmerabsolutdruck und einem gemessenen Krümmerabsolutdruck.
Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Signals für gemessenen Krümmerabsolutdruck mittels eines Krümmerabsolutdrucksensors (26).
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Berechnen eines Produkts aus dem Krümmerabsolutdruckfehler und dem geschätzten Luftmassendurchfluss und zeitliches Integrieren des Produkts, um den Einstellwert zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Multiplizieren des Produkts mit einer Verstärkung.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Bestimmen der Drosselventilfläche anhand der Drosselklappenstellung.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Vergleichen des Luftmassendurchflusses mit einem anhand eines Luftmassendurchflusssignals bestimmten Luftmassendurchflusswert.