DE102006010710B4

DE102006010710B4 - Verfahren zur Luftmassenermittlung bei Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102006010710B4
Application number: DE102006010710A
Authority: DE
Inventors: Ralph Meyer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: DE102006010710A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei die der Brennkraftmaschine in einem bestimmten Betriebszustand zugeführte Luftmasse mittels eines von zwei theoretischen Modellen bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine von dem einen zu dem anderen Modell gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass anhand im Abgasstrom gemessener Daten die mittels des theoretischen Modells bestimmte Luftmasse korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der durch eine Brennkraftmaschine während des Betriebes angesaugten Luftmasse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zum Betrieb von Brennkraftmaschinen ist es erforderlich, die seitens der Maschine angesaugte Luftmasse quantitativ zu bestimmen. Die Kenntnis der angesaugten Luftmasse ist insbesondere für die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs sowie für die Optimierung des Fahrverhaltens und des Abgases hinsichtlich umweltschädlicher Bestandteile notwendig. Konventionelle Methoden zur Bestimmung der angesaugten Luftmasse beruhen darauf, dass sich im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ein Sensor befindet, der die angesaugte Luftmasse indirekt oder direkt misst. Bei einem derartigen Sensor kann es sich insbesondere um einen im Ansaugluftstrom angeordneten Heizdraht handeln, der seine Wärme an die umgebende Luft abgibt. Über die bekannten Beziehungen zur Wärmediffusion kann nachfolgend die das Ansaugrohr passierende Luftmasse abgeleitet werden.
Eine alternative Möglichkeit hierzu besteht darin, die angesaugte Luftmasse mittels des im Saugrohr gemessenen Druckes zu ermitteln. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 103 16 291 B3 oder auch in der deutschen Patentanmeldung DE 103 05 878 A1 wie auch in der Übersetzung der europäischen Patentschrift DE 600 06 359 T2 beschrieben. Nachteilig bei den in den genannten Schriften vorgestellten Lösungen ist jedoch, dass durch die im Ansaugtrakt verwendeten Sensoren die Komplexität des Gesamtsystems gesteigert wird, wodurch sich das Störungsrisiko insgesamt erhöht.
Ein erster Ansatz zur Lösung der vorgestellten Problematik wird in der deutschen Patentanmeldung DE 197 09 955 A1 vorgestellt. Nach der Lehre der genannten Schrift wird die seitens der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse mittels einer Modellierung der im Ansaugtrakt herrschenden Verhältnisse theoretisch bestimmt. Im wesentlichen kommt dabei ein Lavaldüsenmodell zur theoretischen Abbildung der im Ansaugtrakt herrschenden Verhältnisse zur Anwendung. Die genannte Schrift lässt jedoch die begrenzte Gültigkeit des Lavaldüsenmodells für die verschiedenen Betriebszustände einer Brennkraftmaschine außer Acht. Insbesondere kann im Be reich des hohen Teillastbetriebes oder des Volllastbetriebes einer Brennkraftmaschine, also bei näherungsweise vollständig oder vollständig geöffneter Drosselklappe, das Lavaldüsenmodell nicht mehr sinnvoll angewendet werden. Auf diese Weise kommt es zu erheblichen Fehlern bei der modellhaften Bestimmung der angesaugten Luftmasse und dabei zu einer deutlichen Verschlechterung der Verbrauchs- sowie der Abgaswerte und des Fahrverhaltens. Verwandte Konzepte mit ähnlichen Nachteilen werden in den deutschen Patentanmeldungen DE 102 27 466 A1 und DE 103 22 514 A1 sowie dem europäischen Patent EP 0 886 725 A1 vorgestellt. Ein weiteres Verfahren, bei dem während des Betriebs eines Verbrennungsmotors zwischen verschiedenen Modellen gewechselt wird, ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 004 803 A1 offenbart.
Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das die korrekte Modellierung der Verhältnisse im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine über sämtliche Betriebszustände hinweg gestattet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine besteht darin, dass die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse mittels eines theoretischen Modells bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine das zur Bestimmung der Luftmasse verwendete Modell ausgewählt wird. Es wird also über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nicht dasselbe theoretische Modell verwendet, wobei lediglich die Modellparameter angepasst werden, sondern an bestimmten Betriebspunkten wird von einem theoretischen Modell zum anderen gewechselt. Es hat sich in diesem Zusammenhang insbesondere als vorteilhaft erwiesen, im Bereich des Übergangs vom Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine zum Volllastbetrieb von einem Lavaldüsenmodell auf ein Modell zu wechseln, mit dem der Druck im Saugrohr modelliert wird. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass das Lavaldüsenmodell lediglich für hinreichend stark gedrosselte Strömungen, also bei hinreichend weit geschlossener Dros selklappe, sinnvoll verwendet werden kann. Im Bereiche hoher Teillast bzw. im Volllastbetrieb ist jedoch die Drosselklappe weit bis vollständig geöffnet und die im Lavaldüsenmodell implizit vorgesehene Engstelle entfällt.
Dabei wird anhand im Abgasstrom gemessener Daten die mittels des theoretischen Modells bestimmte Luftmasse korrigiert.
Es hat sich dabei bewährt, im Bereich des Überganges vom Teillastbetrieb auf den Volllastbetrieb von dem genannten Lavaldüsenmodell zu einem Modell überzugehen, bei dem die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse über den mittels eines theoretischen Modells bestimmten Saugrohrdruck ermittelt wird. Auch in diesem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine kann auf die Verwendung eines Sensors im Ansaugtrakt verzichtet werden; vielmehr macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, dass sich der Saugrohrdruck mittels des Umgebungsdrucks modellhaft bestimmen lässt. Zur Bestimmung des Umgebungsdrucks kann in vorteilhafter Weise der bereits im Motorsteuergerät üblicherweise verwendete Umgebungsdrucksensor genutzt werden. Der Saugrohrdruck kann dabei insbesondere dadurch bestimmt werden, dass aus dem bekannten Umgebungsdruck unter Berücksichtigung der bekannten Parameter des Luftfilters der Druck vor der Drosselklappe bestimmt wird. In den Bereichen hoher Teillast bzw. im Volllastbereich kann aufgrund des dort hohen Drosselklappenwinkels angenommen werden, dass der Druck vor der Drosselklappe dem Saugrohrdruck entspricht.
Im Unterschied hierzu können zur Bestimmung der angesaugten Luftmasse im Teillastbetrieb insbesondere Parameter wie der Drosselklappenwinkel, die Ansauglufttemperatur oder der Umgebungsdruck verwendet werden.
Das vorgestellte Verfahren kann durch zusätzliche Korrekturmaßnahmen weiter verbessert werden. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass Faktoren wie die Steuerung von Motorparametern innerhalb einer Serie oder auch die Alterung eines einzelnen Motors die Genauigkeit der verwendeten Modelle nachteilig beeinflussen. Dieser Problematik kann nun dadurch begegnet werden, dass anhand von im Abgasstrom gemessenen Daten die mittels der theoretischen Modelle bestimmte Luftmasse korrigiert wird. Hierzu kann in vorteilhafter Weise die bereits vorhandene Lambdasonde verwendet werden, die in konventionellen Verfahren zur Adaption des Kraftstoffpfades benutzt wird. Insbesondere können die von der Lambdasonde gelieferten Daten auch dazu verwendet werden, den Luftpfad zu adaptieren; d. h. die seitens der Lambdasonde bereitgestellten Informationen gestatten es, die tatsächlich angesaugte Luftmasse zu bestimmen und nachfolgend das Modell entsprechend anzupassen. Selbstverständlich sind derartige Korrekturmaßnahmen auch für Fälle denkbar, in denen über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine das selbe Modell zur theoretischen Modellierung verwendet wird bzw. in denen die Luftmasse ausschließlich unter Verwendung von Sensoren bestimmt wird. Ebenso kann die beschriebene Korrektur für Konfigurationen vorgenommen werden, in denen in einem ersten Lastbereich die Luftmasse unter Verwendung von Sensoren bestimmt wird und in einem zweiten Lastbereich die Luftmasse unter Anwendung eines theoretischen Modells bestimmt wird.
Es hat sich dabei besonders bewährt, das Modell in der Art einer Kennfeldadaption in einer Vielzahl von Betriebspunkten zu adaptieren. Dabei kann die Kennfeldadaption insbesondere in der Weise erfolgen, dass eine Unterteilung in 5 Drehzahlbereiche und in 5 Lastbereiche vorgenommen wird. Auf diese Weise ergeben sich 25 Lernwerte. Zwischen den Lernwerten kann beispielsweise eine lineare Interpolation vorgenommen werden. Selbstverständlich sind auch andere Unterteilungen denkbar. Die so ermittelten Korrekturwerte können abgespeichert und weiter verwendet bzw. weiter angepasst werden. Dies hat unter anderem zur Folge, dass sich das Modell automatisch bei fabrikneuen Brennkraftmaschinen auf die übliche Serienstreuung hin optimiert und nachfolgend Alterungserscheinungen der Brennkraftmaschine mit einer entsprechenden Anpassung der Modellparameter begegnet.
Darüber hinaus können die erhaltenen Korrekturwerte beim Abstellen des Fahrzeuges zusammen mit dem herrschenden Umgebungsdruck sowie der Umgebungstemperatur gespeichert werden. Beim nächsten Start des Fahrzeuges lassen sich dann die gespeicherten Korrekturwerte unter Verwendung der Kontinuitätsgleichung und des idealen Gasgesetzes an die aktuellen Umgebungsbedingungen wie bspw. die Umgebungstemperatur anpassen.
Eine weitere vorteilhafte Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die beschriebene Kennfeldadaption nicht nur im Luftpfad, sondern in analoger Weise auch im Kraftstoffpfad angewendet wird.
Eine Verwendung der o. g. Sensoren zur Optimierung des Ergebnisses soll jedoch nicht ausgeschlossen werden. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch in der Weise realisiert werden, dass Luftmassenmesser und Drucksensoren im Ansaugtrakt im Teillast- oder Volllastbetrieb verwendet werden. Dabei sind verschiedene Kombinationen von Sensoren für die verschiedenen Betriebsarten denkbar, insbesondere auch die Verwendung von Sensoren nur für Teillastbetrieb oder nur für Volllastbetrieb oder auch über den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine hinweg.
Insbesondere bei einer Verwendung des Adaptionsverfahrens sowohl für den Luft- als auch für den Kraftstoffpfad hat es sich bewährt, zur weiteren Verbesserung der Adaptionsergebnisse zwei von einander unabhängige Informationen über die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse auszuwerten, also die Luftmasse mittels eines zusätzlichen unabhängigen Systems zu bestimmen. Dabei können die von einem Sensor im Ansaugtrakt, bspw. einem Luftmassenmesser oder einem Saugrohrdrucksensor ermittelten Parameter verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, anhand des vorhandenen Drucksensors zu unterscheiden, ob eine von der Lambdasonde ermittelte Abweichung aus dem Kraftstoffpfad oder aus dem Luftpfad herrührt. In Abhängigkeit von dem auf diese Weise ermittelten Ergebnis kann nachfolgend entschieden werden, ob die Adaption im Luftpfad oder im Kraftstoffpfad vorgenommen werden soll. Sollte beispielsweise anhand einer von der Lambdasonde ermittelten Abweichung festgestellt werden, dass eine Diskrepanz zwischen der über eine erste Methode wie bspw. über den Saugrohrdrucksensor ermittelten Luftmasse und der mittels einer zweiten Methode wie bspw. über das theoretische Modell ermittelten Luftmasse besteht, muss der Fehler aus dem Luftpfad herrühren und es kann beispielsweise ermittelt werden, ob im Luftpfad eine Leckage vorliegt oder ob eine Fehlfunktion der Drosselklappe aufgetreten ist; ferner kann eine Fehlerkorrektur beispielsweise in der Kennfeldstrategie des Luftpfades vorgenommen werden. Im anderen Fall wird der Fehler über die Kennfeldstrategie im Kraftstoffpfad korrigiert.
Im Ergebnis führt diese Maßnahme dazu, dass ein Verzicht auf die aus dem Stand der Technik bekannte Sensorik im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ohne Qualitätsverluste hinsichtlich Verbrauchswerten, Fahrverhalten oder auch Abgaswerten erstmals möglich wird. Darüber hinaus kann in den Fällen, in denen eine Sensorik im Ansaugtrakt vorgesehen ist, die Steuerung der Brennkraftmaschine weiter optimiert werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei die der Brennkraftmaschine in einem bestimmten Betriebszustand zugeführte Luftmasse mittels eines von zwei theoretischen Modellen bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine von dem einen zu dem anderen Modell gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass anhand im Abgasstrom gemessener Daten die mittels des theoretischen Modells bestimmte Luftmasse korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse ein Lavaldüsenmodell verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse der Saugrohrdruck mittels eines theoretischen Modells bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugrohrdruck unter Verwendung des Umgebungsdruckes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse im Teillastbetrieb der Drosselklappenwinkel, die Ansauglufttemperatur oder der Umgebungsdruck eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur an einer Mehrzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Korrektur ermittelten Werte abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Korrektur ermittelten Werte beim Abstellen der Brennkraftmaschine zusammen mit den zu diesem Zeitpunkt herrschenden Umgebungsbedingungen gespeichert werden und beim Neustart an die dann herrschenden Umgebungsbedingungen angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmasse unter Verzicht auf einen Sensor im Ansaugtrakt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse ein Saugrohrdrucksensor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse ein Luftmassenmesser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmas se ein Saugrohrdrucksensor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Volllastbetrieb zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse ein Luftmassenmesser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge mittels des theoretischen Modells korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der von einem zusätzlichen System ermittelten Parameter bestimmt wird, ob eine Adaption der anhand des theoretischen Modells ermittelten Werte für die Luftmasse oder die Kraftstoffmenge vorgenommen wird.