DE102006025126B4

DE102006025126B4 - Modellgestützte Einlassluftdynamikzustands-Charakterisierung

Info

Publication number: DE102006025126B4
Application number: DE102006025126A
Authority: DE
Inventors: Ronald A. Commerce Township Davis; Gregory P. West Bloomfield Matthews; Layne K. Plymouth Wiggins
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: US20060276953A1; DE102006025126A1; US7292931B2

Abstract

System zur Charakterisierung der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine, umfassend:
ein erstes Modul (300), das einen Krümmerabsolutdruck eines künftigen Zündereignisses schätzt;
ein zweites Modul (302), das basierend auf dem Krümmerabsolutdruck des künftigen Zündereignisses und auf einem Krümmerabsolutdruck eines vorherigen Zyklus eine Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz bestimmt;
ein drittes Modul (304), das basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz einen gleitenden Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz bestimmt; und
ein viertes Modul (306), das basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz und dem gleitenden Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz einen Zustand der Einlassluftdynamik charakterisiert, indem es einen stationären Zustand feststellt, wenn sowohl die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist als auch der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist, und einen Übergangszustand feststellt, wenn entweder die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist oder der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Charakterisierung und ein Verfahren zum Charakterisieren der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennkraftmaschinen verbrennen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in Zylindern, die Kolben antreiben, um ein Antriebsdrehmoment zu erzeugen. Genauer wird in ein Einlassrohr des Motors durch eine Drosselklappe Luft angesaugt. Die Luft wird auf die Zylinder des Motors verteilt und in einem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) mit Kraftstoff gemischt. Das L/K-Gemisch wird in den Zylindern verbrannt, um die Kolben anzutreiben.
Die Menge des Kraftstoffs zu den einzelnen Zylindern wird z. B. unter Verwendung der Schlitz-Kraftstoffeinspritzung gesteuert. Um das gewünschte L/K-Verhältnis zu liefern, muss die entsprechende Luftrate jedes Zylinders genau geschätzt werden. Um die Zylinderluftrate genau zu schätzen, wird der Zustand der Motoreinlassluftdynamik entweder als Übergangszustand oder als stationärer Zustand charakterisiert. Basierend auf der Motoreinlassluftdynamik-Charakterisierung wird eine entsprechende Zylinderluftratenschätzungs-Vorgehensweise realisiert.
Im stationären Zustand ist der Krümmerabsolutdruck (MAP) über eine vorgegebene Zeitdauer im Wesentlichen konstant. In diesem Fall wird eine genaue Zylindereinlassluftraten-Schätzung unter Verwendung eines herkömmlichen Massenluftdurchflussmengen-Sensors (MAF-Sensors) geliefert, der sich in dem Motoreinlassluftweg befindet. Das Fehlen irgendeines erheblichen Füllens oder Leerens des Krümmers im stationären Zustand ermöglicht eine direkte Entsprechung zwischen der MAF und der Zylindereinlassluftrate.
Beim Übergangszustand gibt es keine direkte Entsprechung zwischen der MAF und der Zylindereinlassluftrate. Im Ergebnis charakterisiert der MAF-Sensor die Zylindereinlassluftrate möglicherweise nicht genau. Dies liegt hauptsächlich an der erheblichen Zeitkonstante, die dem Füllen oder Leeren des Krümmers zugeordnet ist, sowie an der MAF-Sensor-Verzögerungszeit. Während des Motorbetriebs können schnell Übergangsbedingungen entstehen. Diese Übergangsbedingungen können sich aus einer wesentlichen Änderung der Drosselklappenstellung (TPS) oder aus irgendeiner anderen Bedingung, die den MAP stört, ergeben. Irgendeine erhebliche Störung in den Betriebsbedingungen des stationären Zustands führt schnell einen Fehler in den MAF-Schätzwert der Zylindereinlassluftrate ein. Dementsprechend muss es dann, wenn für die Zylinderluftrate ein MAF-Sensor verwendet werden soll, eine zuverlässige Bestimmung geben, ob der Motor im stationären Zustand arbeitet oder in einem Übergangszustand ist.
Herkömmliche Verfahren zum Charakterisieren der Einlassluftdynamik entweder als stationärer Zustand oder als Übergangszustand enthalten bestimmte Nachteile. Zum Beispiel verwendet ein Verfahren einen einzelnen Motorparameter (z. B. den MAP), um sowohl den Eintritt in den als auch den Austritt aus dem stationären Zustand zu erfassen. Wenn zur Charakterisierung des Einlassluftdynamikzustands ein einzelner Parameter verwendet wird, kann aber Signalrauschen zu ungenauer Zustandserfassung führen. In der DE 693 00 959 T2 wird ein System zur Charakterisierung einer Einlassluftdynamik beschrieben, wobei ein künftiger Krümmerabsolutdruck MAP vorhergesagt wird, wobei deutlich wird, dass der zukünftige Druck MAP insbesondere während eines Übergangszustands ein wichtiger Parameter bei der Berechnung der Luft- und Kraftstoffzufuhr ist. Auch in der DE 10 2004 040 273 A1 wird vorgeschlagen, die Einlassluftdynamik anhand eines MAP-Übergangssignals zu berechnen.
Ferner wird in der DE 694 31 335 T2 ein Steuersystem beschrieben, das bestimmt, ob ein Übergangszustand oder ein stationärer Zustand vorliegt.
Ferner kann die Erfassung von Übergängen insbesondere aus dem stationären Zustand verzögert sein, während auf ausführliche Analysen wie etwa auf Analysen, die dazu bestimmt sind, die Empfindlichkeit gegen Rauschen zu verringern, gewartet wird. Falls die Erfassung eines Übergangs verzögert ist, kann die Zylindereinlassluftraten-Schätzgenauigkeit verschlechtert sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes System zur Charakterisierung der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine sowie ein entsprechend ausgebildetes Verfahren zu schaffen.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein System zur Charakterisierung der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, sowie ein entsprechend ausgebildetes Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 4 aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungform wird der MAP eines künftigen Zündereignisses basierend auf einem momentanen MAP und/oder auf einem vorherigen MAP und/oder auf einer momentaner Krümmerluftdurchflussmenge (MAF) und/oder auf einer vorherigen MAF bestimmt.
In einer weiteren Ausführungformbestimmt das vierte Modul basierend auf dem Zustand der Einlassluftdynamik eine Zylinderluftraten-Schätzroutine.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein Funktionsblockschaltplan eines beispielhaften Motorsystems ist, das unter Verwendung des Verfahrens zur Charakterisierung der Einlassluftdynamik- in Überseinstimmung mit der vorliegenden Erfindung reguliert wird;
2 ist ein Ablaufplan, der beispielhafte Schritte veranschaulicht, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden; und
3 ist ein Funktionsblockschaltplan beispielhafter Module, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Aus Klarheitsgründen sind in den Zeichnungen zur Identifizierung ähnlicher Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff Modul auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, auf eine Kombinationslogikschaltung und/oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Anhand von 1 ist nun ein beispielhaftes Motorsystem 10 veranschaulicht. Das Motorsystem 10 umfasst einen Motor 12, der in N Zylindern 14 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt. Obgleich zwei Zylinder veranschaulicht sind (d. h. N = 2), ist festzustellen, dass der Motor 12 mehr oder weniger Zylinder (z. B. N = 1, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12) umfassen kann. Durch eine Drosselklappe 18 wird Luft in ein Einlassrohr 16 angesaugt. Die Luft wird auf die Zylinder verteilt und mit Kraftstoff gemischt. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird verbrannt, um Kolben (nicht gezeigt) in den Zylindern 14 hin- und herbewegbar anzutreiben. Die Kolben treiben drehbar eine Kurbelwelle 19 an, die ein Antriebsdrehmoment auf einen Antriebsstrang (nicht gezeigt) überträgt. Durch einen Auspuffkrümmer 20 werden Verbrennungsgase aus den Zylindern 14 zu einem Abgasnachbehandlungssystem ausgestoßen.
Ein Steuermodul 22 reguliert basierend auf mehreren Motorbetriebsparametern den Betrieb des Motorsystems 10. Genauer erzeugt ein Massenluftdurchflussmengen-Sensor (MAF-Sensor) 24 ein MAF-Signal und erzeugt ein Drosselklappenstellungs-Sensor 26 ein Drosselklappenstellungssignal (TPS). Ein Einlassrohrabsolutdruck-Sensor (MAP-Sensor) 28 erzeugt ein MAP-Signal und ein Krümmerlufttemperatur-Sensor (MAT-Sensor) 30 erzeugt ein MAT-Signal. Ein Motordrehzahlsensor 32 erzeugt basierend auf einer Drehzahl der Kurbelwelle 19 ein Motor-RPM-Signal. Die verschiedenen Signale werden an das Steuermodul 22 übertragen, das basierend darauf den Motorbetrieb reguliert. Zum Beispiel kann das Steuermodul 22 eine Stellung der Drosselklappe 18 regulieren, um die Luftdurchflussmenge in den Motor 12 zu steuern. Ferner kann das Steuermodul 22 die Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern 14 regulieren, um ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) bereitzustellen.
Das Steuermodul 22 schätzt basierend auf dem Zustand der Motoreinlassluftdynamik (d. h. Übergangszustand oder stationärer Zustand) die Zylinderluftrate. Genauer bestimmt das Steuermodul 22 basierend auf der Verfahren der vorliegenden Erfindung, ob die Einlassluftdynamik entweder ein Übergangszustand oder ein stationärer Zustand ist. Basierend auf dieser Charakterisierung realisiert das Steuermodul 22 eine entsprechende Zylinderluftraten-Schätzroutine. Zum Beispiel wird dann, wenn die Einlassluftdynamik im stationären Zustand ist, die MAF, wie sie durch den Massenluftdurchflussmengen-Sensor 24 gemessen wird, basierend auf der folgenden Gleichung:
zur Schätzung der Masse der in die Zylinder 14 eintretenden Luft verwendet. Falls die Einlassluftdynamik dagegen einem Übergangszustand entspricht, wird die Schätzung der Masse der in die Zylinder 14 eintretenden Luft in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung:
wo η_v der Liefergrad des Motors 12, V_d das Hubraumvolumen des Motors, R die universelle Gaskonstante und T_c die Temperatur der in den Zylinder eintretenden Luft (in Grad Kelvin) ist, unter Verwendung der ”Drehzahldichte”-Vorgehensweise erhalten.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schätzt den MAP für ein künftiges Zylinderzündereignis basierend auf der folgenden Beziehung: MAP_EST(k + 1) = k_MAP0MAP_EST(k) + k_MAP1MAP_EST(k – N) + k_MAP2MAP_EST(k – 2N) + k_AIR0MAF(k) + k_AIR1MAF(k – 1) + k_AIR2MAF(k – 2) + k_THR0TPS(k) + k_THR1TPS(k – 1) + k_THR2TPC(k – 2) – k_ESTGAIN[MAP_EST(k) – MAP_ACT(k)] wobei

kMAP0...2: MAP-Koeffizienten sind;
kAIR0...2: Zylinderluftkoeffizienten sind,
kTHR0...2: Drosselklappenkoeffizienten sind;
kESTGAIN: ein Gewinnkoeffizient ist;
MAPACT(k): der tatsächliche MAP ist, der auf dem MAP-Signal basiert; und
N: die Anzahl der Zylinder ist.

k ist das momentane Zylinderzündereignis. k_MAP0...2, k_AIR0...2 und k_THR0...2 werden unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens der Motorsystemidentifizierung einschließlich, aber nicht beschränkt auf, einer Datenanpassung der kleinsten Fehlerquadrate basierend auf entsprechenden Motortestdaten bestimmt. k_ESTGAIN wird unter Verwendung eines Prozesses, der ähnlich der Berechnung eines Kalman-Filtergewinns ist, bestimmt und stellt MAP_EST(k + 1) basierend auf dem Fehler in dem vorherigen Wert (d. h. MAP_EST(k) gegenüber MAP_ACT(k)) ein.
Eine MAP-Zyklusdifferenz (MAP_CD) wird als die Differenz zwischen MAP_EST(k + 1) und dem geschätzten MAP eines Motorzyklus zuvor, (MAP_EST(k – N)), bestimmt. Gemäß der folgenden Gleichung: MAP_CDAVG(k) = MAP_CDAVG(k – 1) + [MAP_CD(k) – MAP_CD(k – 2N)]/2N wird der gleitende Mittelwert von MAP_CD(MAP_CDAVG) berechnet. Auf diese Weise wird der momentane MAP_CD zu MAP_CDAVG addiert und der MAP_CD von zwei Motorzyklen zuvor subtrahiert.
Das Verfahren vergleicht MAP_CD(k) und MAP_CDAVG(k) mit den Schwellenwerten MAP_CDTHR bzw. MAP_CDAVGTHR, um zu bestimmen, ob die Einlassluftdynamik einem Übergangszustand oder ein stationärer Zustand entspricht. Genauer wird die Einlassluftdynamik als Übergangszustand charakterisiert, falls entweder der Absolutwert von MAP_CD(k) größer als MAP_CDTHR ist oder der Absolutwert von MAP_CDAVG(k) größer als MAP_CDAVGTHR ist. Falls sowohl der Absolutwert von MAP_CD(k) kleiner als MAP_CDTHR ist als auch der Absolutwert von MAP_CDAVG(k) kleiner als MAP_CDAVGTHR ist, wird die Einlassluftdynamik als stationärer Zustand charakterisiert.
Nunmehr anhand von 2 sind beispielhafte Schritte veranschaulicht, die durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden. In Schritt 200 bestimmt die Steuerung basierend auf der oben ausführlich beschriebenen Beziehung MAP_EST(k + 1). In Schritt 202 berechnet die Steuerung MAP_CD. In Schritt 204 berechnet die Steuerung MAP_CDAVG. In Schritt 206 bestimmt die Steuerung, ob der Absolutwert von MAP_CD größer als MAP_CDTHR ist. Falls der Absolutwert von MAP_CD nicht größer als MAP_CDTHR ist, wird die Steuerung in Schritt 208 fortgesetzt. Falls der Absolutwert von MAP_CD größer als MAP_CDTHR ist, wird die Steuerung in Schritt 210 fortgesetzt.
In Schritt 208 bestimmt die Steuerung, ob der Absolutwert von MAP_CDAVG größer als MAP_CDAVGTHR ist. Falls der Absolutwert von MAP_CDAVG nicht größer als MAP_CDAVGTHR ist, wird die Steuerung in Schritt 212 fortgesetzt. Falls der Absolutwert von MAP_CDAVG größer als MAP_CDAVGTHR ist, wird die Steuerung in Schritt 210 fortgesetzt. In Schritt 210 charakterisiert die Steuerung die Einlassluftdynamik als Übergangszustand. In Schritt 212 charakterisiert die Steuerung die Einlassluftdynamik als stationären Zustand. Daraufhin wird der Betrieb des Fahrzeugs basierend auf der Charakterisierung der Einlassluftdynamik reguliert. Genauer wird basierend auf der Charakterisierung der Einlassluftdynamik eine entsprechende Zylinderluftratenschätzungs-Vorgehungsweise realisiert, um ein gewünschtes L/K-Verhältnis zu erzielen.
Anhand von 3 werden nun ausführlich beispielhafte Module beschrieben, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen. Die beispielhaften Module umfassen ein MAP-Schätzmodul 300, ein Zyklusdifferenzmodul 302, ein Modul 304 des gleitenden Mittelwerts und ein Charakterisierungsmodul 306. Das map-Schätzmodul bestimmt wie oben ausführlich beschrieben basierend auf MAP_ACT und MAF MAP_EST(k + 1). Das Zyklusdifferenzmodul 302 berechnete basierend auf MAP_EST(k + 1) und MAP_EST(k – N) MAP_CD. Das Modul des gleitenden Mittelwerts bestimmt wie oben ausführlich beschrieben MAP_CDAVG. Das Charakterisierungsmodul 306 charakterisiert die Einlassluftdynamik basierend auf MAP_CD und auf MAP_CDAVG entweder als stationären Zustand (SS) oder als Übergangszustand (TRNS).
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist nun aus der vorstehenden Beschreibung klar, dass die umfassenden Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen realisiert werden können. Obgleich diese Erfindung in Verbindung mit besonderen Beispielen davon beschrieben worden ist, sollte der wahre Umfang der Erfindung somit nicht darauf beschränkt werden, da für den erfahrenen Praktiker bei einer Untersuchung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Abwandlungen offensichtlich sind.

Claims

System zur Charakterisierung der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine, umfassend: ein erstes Modul (300), das einen Krümmerabsolutdruck eines künftigen Zündereignisses schätzt; ein zweites Modul (302), das basierend auf dem Krümmerabsolutdruck des künftigen Zündereignisses und auf einem Krümmerabsolutdruck eines vorherigen Zyklus eine Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz bestimmt; ein drittes Modul (304), das basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz einen gleitenden Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz bestimmt; und ein viertes Modul (306), das basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz und dem gleitenden Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz einen Zustand der Einlassluftdynamik charakterisiert, indem es einen stationären Zustand feststellt, wenn sowohl die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist als auch der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist, und einen Übergangszustand feststellt, wenn entweder die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist oder der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Krümmerabsolutdruck des künftigen Zündereignisses basierend auf einem momentanen Krümmerabsolutdruck und/oder auf einem vorherigen Krümmerabsolutdruck und/oder auf einer momentanen Krümmerluftdurchflussmenge und/oder auf einer vorherigen Krümmerluftdurchflussmenge bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem das vierte Modul basierend auf dem Zustand der Einlassluftdynamik eine Zylinderluftraten-Schätzroutine bestimmt.
Verfahren zum Charakterisieren der Einlassluftdynamik einer Brennkraftmaschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Schätzen eines Krümmerabsolutdrucks eines künftigen Zündereignisses (200); Bestimmen einer Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz basierend auf dem Krümmerabsolutdruck des künftigen Zündereignisses und auf einem Krümmerabsolutdruck eines vorherigen Zyklus (202); Bestimmen eines gleitenden Mittelwerts einer Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz (204); und Charakterisieren eines Zustands der Einlassluftdynamik basierend auf der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz und dem gleitenden Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz, indem ein stationärer Zustand festgestellt wird (212), wenn sowohl die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist (206) als auch der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz größer als ein Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist (208), und ein Übergangszustand festgestellt wird (210), wenn entweder die Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz-Schwellenwert ist (206) oder der gleitende Mittelwert der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz kleiner als der Schwellenwert des gleitenden Mittelwerts der Krümmerabsolutdruck-Zyklusdifferenz ist (208).
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Krümmerabsolutdruck des künftigen Zündereignisses basierend auf einem momentanen Krümmerabsolutdruck und/oder auf einem vorherigen Krümmerabsolutdruck und/oder auf einer momentanen Krümmerluftdurchflussmenge und/oder auf einer vorherigen Krümmerluftdurchflussmenge bestimmt wird.