DE102008043975B4

DE102008043975B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen einer Luftmassenstromangabe bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008043975B4
Application number: DE102008043975.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Heinkele; Patrick Menold; Michael Drung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2028-11-22
Also published as: JP2010121622A; US8285496B2; US20100131212A1; JP5570788B2; DE102008043975A1

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems (3) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), mit folgenden Schritten:- Erfassen (S1, S11) eines Kenngrößen-Messwertes als Angabe für die Kenngröße mit Hilfe eines Sensors;- Bereitstellen (S2, S12) eines Kenngrößenmodells, mit dem ein Kenngrößen-Modellwert anhand einer oder mehrerer von dem Kenngrößen-Messwert verschiedener Größen berechenbar ist.- Bereitstellen (S3, S4, S5; S13, S14, S15) der Kenngröße entweder basierend auf dem Kenngrößen-Messwert oder basierend auf dem von dem Kenngrößenmodell berechneten Kenngrößen-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems (3),wobei die Kenngröße einen Luftmassenstrom in dem Luftsystem (3) repräsentiert und als Kenngrößen-Messwert ein Luftmassenstrom-Messwert durch einen Luftmassensensor erfasst wird,wobei das Kenngrößenmodell ein Luftmassenstrommodell umfasst,wobei der Luftmassenstrom basierend auf dem Luftmassenstrom-Messwert oder basierend auf dem von dem Luftmassenstrommodell berechneten Luftmassenstrom-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems (3) bereitgestellt wird,wobei das Luftsystem eine Drosselklappe (7) stromabwärts eines Verdichters (61) einer Ladevorrichtung (6) aufweist, wobei das Luftmassenstrommodell anhand eines Luftmassenstromes durch die Drosselklappe (7) unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Volumens zwischen dem Verdichter (61) und der Drosselklappe (7) den Luftmassenstrom durch den Verdichter (61) als bereitzustellenden Luftmassenstrom ermittelt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren, bei denen ein zugeführter Luftmassenstrom mit Hilfe eines Luftmassensensors im Luftsystem gemessen wird, um die Luftfüllung von Zylindern des Verbrennungsmotors zu bestimmen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors bereitzustellen sowie ein Motorsystem und ein Computerprogramm.
Stand der Technik
Zur Erfassung der Luftfüllung eines Verbrennungsmotors wird in der Regel ein Luftmassensensor, z.B. in Form eines Heißfilmluftmassenmessers, verwendet, der am Eingang des Luftsystems angeordnet ist. Der für den Betrieb des Verbrennungsmotors angesaugte Luftmassenstrom wird mit Hilfe des Luftmassensensors gemessen und mit Hilfe einer Drosselklappe in einem Saugrohr des Luftsystems oder nur durch eine steuerbare Aufladevorrichtung eingestellt. Im Falle einer im Luftsystem vorgesehenen Drosselklappe wird angenommen, dass der über die Drosselklappe im Luftsystem des Verbrennungsmotors strömende Luftmassenstrom der eingangsseitig eingesaugten Luftmenge entspricht. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren wird die Luft mit Hilfe einer Ladevorrichtung, die z.B. in Form eines durch Abgasenergie betriebenen Turboladers abgebildet wird, angesaugt, um einen Ladedruck vor der Drosselklappe bereitzustellen.
Die DE 37 24 094 A1 betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine gesaugten Luftmasse im Zusammenhang mit einer elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzung.
Die JP H03-115 756 A offenbart eine Steuerung eines Motors durch Bewerten, ob ein Ausgabewert eines Hauptsensors abnormal ist, durch einen Vergleich zwischen dem Ausgabewert des Hauptsensors mit einem weiteren vom Hauptsensor abhängigen Wert.
Die JP H03-115 751 A betrifft eine Verbesserung der Steuerbarkeit eines Motors durch Auswahl einer Steuerung basierend auf der tatsächlichen Ansaugluftmenge oder einer Steuerung basierend auf der Ansaugluftmenge, die aus der Drosselklappenöffnung geschätzt wird.
Die JP 2005-120 929 A offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines Dieselmotors mit einer Aufladeeinheit und Abgasrückführungseinrichtung (AGR).
Wesentlich für die ordnungsgemäße Ansteuerung des Verbrennungsmotors ist eine genaue Kenntnis der Luftmassenströme im Luftsystem. Jedoch kann es bei bestimmten Betriebspunkten zur Störung der Messung des Luftmassenstroms durch den Luftmassensensor kommen. Solche Betriebspunkte sind beispielsweise Betriebspunkte, bei denen ein hoher Ladedruck auftritt und eine geringe Luftmasse durch den Verdichter gefördert wird. Solche Betriebspunkte treten insbesondere bei einem schnellen Lastwechsel von einer hohen zu einer niedrigen Last auf, d.h. wenn die Drosselklappe schnell in Richtung ihrer Schließstelllung bewegt wird. Dann kann ein sogenanntes Verdichterpumpen auftreten, bei dem starke Druckschwingungen des Luftdrucks stromabwärts des Verdichters der Ladevorrichtung hervorgerufen werden. Ursache des Verdichterpumpens sind Strömungsabrisse an den Schaufeln des Verdichters der Ladevorrichtung. Die Druckschwingungen des Ladedrucks wirken sich auch auf den Luftmassensensor negativ aus, so dass die dort erfassten Messwerte in diesen Betriebsbereichen sehr ungenau sind. Aus diesem Grund wird stattdessen ein Ersatzwert für den Luftmassenstrom bereitgestellt.
Bei einem pneumatischen Schubumluftventil, d.h. das Schubumluftventil wird nicht elektrisch sondern lediglich abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Saugrohrdruck und dem Umgebungsdruck angesteuert, kann es zudem durch Abfließen von Luft von der Ausgangsseite des Verdichters zur Eingangsseite zu einem Rückströmen von Luft über den Luftmassensensor kommen. Konstruktionsbedingt ist der Luftmassensensor jedoch nicht geeignet, einen umgekehrten Luftmassenstrom mit ausreichender Genauigkeit zu detektieren. Auch in diesem Fall ist es besser, einen Ersatzwert für den Luftmassenstrom zu verwenden.
Der Ersatzwert für den Luftmassenstrom entspricht z.B. dem Luftmassenstrom über der Drosselklappe, der mit Hilfe eines herkömmlichen Modells der Drosselklappe und den modellierten und/oder gemessenen Drücken vor und hinter der Drosselklappe berechnet werden kann. Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, d.h. bei Nichtvorliegen des o.g. Betriebspunkts wird der Messwert des Luftmassensensors verwendet und gleichzeitig das Modell der Drosselklappe, das zur Ermittlung des Ersatzwertes verwendet wird, in bekannter Weise adaptiert. Wird nun festgestellt, dass der Messwert des Luftmassensensors auf Grund bestimmter Betriebszustände nicht mehr ausgewertet werden darf, wird der so ermittelte Ersatzwert verwendet.
Alternativ kann der Ersatzwert für den Luftmassenstrom z.B. bei Luftsystemen ohne Drosselklappe durch ein Modell basierend auf dem Saugrohrdruck und der Drehzahl ermittelt werden.
Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit einem elektrisch angesteuerten Schubumluftventil in einer Schubumluftleitung, die die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Verdichters der Ladevorrichtung miteinander verbindet, kann die Verwendung des Ersatzwertes von der Ansteuerung des Schubumluftventils abhängig gemacht werden. Dies ist jedoch bei einem Motorsystem, bei dem das Schubumluftventil pneumatisch angesteuert wird, nicht möglich, da kein entsprechendes Signal vorhanden ist.
Auch gibt es Motorsysteme, bei denen keine Schubumluftleitung vorgesehen ist, die den Verdichter überbrückt. Auch hier entfällt das Bereitstellen eines An-steuersignals für ein Schubumluftventil, so dass andere Kriterien für die Verwendung des Ersatzwertes für den Luftmassenstrom anstelle des gemessenen Massenstroms verwendet werden müssen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Motorsystem zur Verfügung zu stellen, bei denen bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, insbesondere bei einem Verbrennungsmotor ohne elektrisch ansteuerbares Schubumluftventil, bestimmt wird, wann eine gemessene Kenngröße, wie z.B. der Luftmassenstrom und wann ein Kenngrößen-Modellwert wie z.B. ein Ersatzwert für den Luftmassenstrom verwendet wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung, ein Motorsystem und ein Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Erfassen eines Kenngrößen-Messwertes als Angabe für die Kenngröße mit Hilfe eines Sensors;
- Bereitstellen eines Kenngrößenmodells, mit dem ein Kenngrößen-Modellwert anhand einer oder mehrerer von dem Kenngrößen-Messwert verschiedenen Größen berechenbar ist;
- Bereitstellen der Kenngröße entweder basierend auf dem Kenngrößen-Messwert oder basierend auf dem von dem Kenngrößenmodell berechneten Kenngrößen-Modellwert, abhängig von einem Zustand des Luftsystems.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einen Messwert einer Kenngröße, insbesondere eines Luftmassenstroms in das Luftsystem nicht zu nutzen, wenn der Kenngrößen-Messwert durch einen ungünstigen Betriebszustand des Luftsystems gestört sein könnte. Dadurch wird ausgeschlossen, dass die Verwendung eines fehlerbehafteten Kenngrößen-Messwertes für die Ansteuerung des Verbrennungsmotors zu einem fehlerhaften Betrieb bzw. zu einem ungünstigen Betriebspunkt führt, z.B. zu einem Einbruch des abgegebenen Drehmoments oder zu einem Anstieg von unerwünschten Emissionen. Weiterhin wird der Kenngrößen-Modellwert, der die Kenngröße anhand anderer Größen modelliert, nur so lange verwendet, wie der Betriebszustand die Verwendung des Modellwertes erfordert, da dieser in der Regel ungenauer ist als der Kenngrößen-Messwert.
Die Verwendung des modellierten Luftmassenstroms zum Verwenden des Ersatzwertes des Luftmassenstroms anstelle des Messwertes bei einem auftretenden Verdichterpumpen erfolgt z.B. analog durch die Modellierung der Summe der Massenströme über die Ladevorrichtung, wobei ein Verdichterpumpen festgestellt werden kann, wenn dieser Massenstrom periodisch unter eine Schwelle fällt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Druckgradienten des Ladeluftdrucks festgestellt werden. Ohne die Modellierung der Massenströme würde zum Feststellen des Verdichterpumpens eine Gradientenumkehr im Druck benötigt werden.
Weiterhin kann abhängig von dem Zustand des Luftsystems das Kenngrößenmodell abhängig von dem Kenngrößen-Messwert adaptiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die eine oder die mehreren von dem Kenngrößen-Messwert verschiedenen Größen eine andere Messgröße oder eine andere Modellgröße umfassen.
Weiterhin kann die Kenngröße einen Luftmassenstrom in dem Luftsystem repräsentieren. Als Kenngrößen-Messwert kann ein Luftmassenstrom-Messwert durch einen Luftmassensensor erfasst werden, wobei das Kenngrößenmodell ein Luftmassenstrommodell umfasst, wobei der Luftmassenstrom basierend auf dem Luftmassenstrom-Messwert oder basierend auf dem von dem Luftmassenstrommodell berechneten Luftmassenstrom-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems bereitgestellt wird.
Das Luftsystem kann eine Drosselklappe stromabwärts eines Verdichters einer Ladevorrichtung aufweisen, wobei das Luftmassenstrommodell den Luftmassenstrom anhand eines Luftmassenstromes durch die Drosselklappe unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Volumens zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe durch den Verdichter als bereitzustellenden Luftmassenstrom ermittelt.
Alternativ kann das Luftmassenstrommodell, insbesondere bei einem Luftsystem ohne Drosselklappe den Luftmassenstrom anhand des Drucks in einem Saugrohr des Verbrennungsmotors und der Drehzahl des Verbrennungsmotors ermitteln.
Insbesondere kann der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe anhand eines Zustands der Drosselklappe und einer Druckdifferenz über die Drosselklappe anhand einer Drosselgleichung ermittelt werden, wobei das Verhalten des Volumens mit Hilfe der idealen Gasgleichung berücksichtigt wird.
Der Zustand des Luftsystems kann einem Zustand entsprechen, in dem eine Wahrscheinlichkeit für ein fehlerhaftes Erfassen des Luftmassenstrom-Messwerts einen Grenzwert übersteigt.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Luftmassenstrom-Modellwert anstelle des Luftmassenstrom-Messwerts bereitgestellt werden, wenn Pulsationen des Luftmassenstroms durch den Verdichter und/oder eines Drucks im Luftsystem auftreten. Insbesondere kann der Luftmassenstrom-Modellwert anstelle des Luftmassenstrom-Messwerts bereitgestellt werden, wenn ein Schließen der Drosselklappe mit einem einen Schwellenwert übersteigenden Gradienten erfolgt und/oder wenn der Luftmassenstrom-Messwert einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei eine Kenngröße gemäß dem obigen Verfahren bereitgestellt wird, wobei Ansteuersignale für den Verbrennungsmotor bereitgestellt werden, die abhängig von der Kenngröße generiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems eines aufgeladenen Verbrennungsmotors vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst:

- einen Sensor zum Erfassen eines Kenngrößen-Messwertes als Angabe für die Kenngröße;
- eine Berechnungseinheit, in der ein Kenngrößenmodell implementiert ist, mit dem ein Kenngrößen-Modellwert anhand einer oder mehrerer von dem Kenngrößen-Messwert verschiedener Größen berechenbar ist, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, die Kenngröße basierend auf dem Kenngrößen-Messwert oder basierend auf dem von dem Kenngrößenmodell berechneten Kenngrößen-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems bereitzustellen.

Weiterhin kann die Kenngröße einen Luftmassenstrom in dem Luftsystem repräsentieren, wobei der Sensor einen Luftmassensensor umfasst, um als den Kenngrößen-Messwert einen Luftmassenstrom-Messwert zu erfassen, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, um als das Kenngrößenmodell ein Luftmassenstrommodell bereitzustellen und um den Luftmassenstrom abhängig von einem Zustand des Luftsystems entweder basierend auf dem Luftmassenstrom-Messwert oder basierend auf dem von dem Luftmassenstrommodell berechneten Luftmassenstrom-Modellwert bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen Vorrichtung und mit einem Verbrennungsmotor, dem Luft über das Luftsystem zugeführt wird, vorgesehen.
Weiterhin kann das Luftsystem eine Drosselklappe stromabwärts eines Verdichters einer Ladevorrichtung aufweisen, wobei die Berechnungseinheit ausgebildet ist, um das Luftmassenstrommodell anhand eines Luftmassenstromes durch die Drosselklappe unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Volumens zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer Ladevorrichtung;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Bereitstellen einer Luftmassenstromangabe für das Motorsystem der 1;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Motorsystems mit einer Ladevorrichtung ohne Schubumluftleitung; und
4 ein Flussdiagram zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Bereitstellen einer Luftmassenstromangabe bei dem Motorsystem der 3.

Beschreibung von Ausführungsformen
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen bezeichnen Elemente, die mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, dem Luft über einen Luftzuführungsabschnitt 3 zugeführt wird und aus dem Abgas mit Hilfe eines Abgasabführungsabschnittes 4 abgeführt wird. Der Luftzuführungsabschnitt 3 umfasst einen Verdichter 61 einer Ladevorrichtung, an die sich ein Saugrohr 5 anschließt, so dass das Saugrohr 5 zwischen der Ausgangsseite des Verdichters 6 und einer Einlassseite des Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist.
Im Saugrohr 5 ist eine Drosselklappe 7 angeordnet, die den Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor 2 steuert. Eingangsseitig des Verdichters 61 der Ladevorrichtung 6 ist ein Luftmassensensor 8 in Form eines Heißfilmluftmassensensors (HFM) vorgesehen, um den in den Luftzuführungsabschitt 3 strömenden Luftmassenstrom zu detektieren. Zum Antrieb des Verdichters 61 der Ladevorrichtung 6 ist in dem Abgasabführungsabschnitt 4 eine Abgasturbineneinheit 62 angeordnet, die über eine Welle oder dergleichen mit dem Verdichter 61 gekoppelt ist, um die Verdichterleistung zu übertragen.
Zur Steuerung der Ladeleistung ist die Abgasturbineneinheit 62 mit einer Bypass-Leitung 63 versehen, die Eingangs- und Ausgangsseite der Abgasturbineneinheit 62 miteinander verbindet und in der ein Stellelement 64 in Form eines Stellventils angeordnet ist. Das Stellventil ist im Wesentlichen stufenlos einstellbar, um die Menge des nicht durch die Abgasturbineneinheit 62 strömenden Abgases einzustellen. Das Stellelement 64, die Drosselklappe 7 sowie die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte Kraftstoffmenge und ggf. Zündzeitpunkte von (nicht gezeigten) Zündeinheiten (z.B. Zündkerzen) werden z.B. in Form von Ansteuersignalen von einem Motorsteuergerät 10 bereitgestellt.
Das Motorsteuergerät 10 führt einen Steuerungs- bzw. Regelungsalgorithmus aus, der mit Hilfe von Eingangsgrößen, wie z.B. dem Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor 2, dem Ladedruck vor der Drosselklappe 7 und anderen, sowie mit Hilfe von Vorgabegrößen VG, wie z.B. einem Fahrerwunschmoment, und Betriebspunktgrößen, wie z.B. der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, die Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 mit Ansteuerungsgrößen bzw. Ansteuerungssignalen vornimmt, um eine gewünschte Ausgangsgröße, wie z.B. ein Drehmomentes bzw. eine gewünschte Motorleistung bereitzustellen.
Der Verdichter 61 der Ladevorrichtung 6 ist mit einer Schubumluftleitung 11 versehen, in der ein Schubumluftventil 12 angeordnet ist. Das Schubumluftventil 12 ist ein Schaltventil, d.h. es kann in der Regel nur geöffnet oder geschlossen werden. Je nach Ausführung des Motorsystems kann das Schubumluftventil 12 elektrisch vom Motorsteuergerät 10 angesteuert werden oder mechanisch, d.h. pneumatisch abhängig von einer Druckdifferenz zwischen dem Saugrohr 5 und (stromabwärts der Drosselklappe 7) dem Umgebungsdruck gesteuert werden. Es sind auch elektro-pneumatische Schubumluftventile bekannt, die durch ein vom Motorsteuergerät 10 gesteuertes Ventil mit einem Steuerdruck beaufschlagt werden.
Mit Hilfe des Schubumluftventils 12 wird eine Funktion realisiert, die vermeidet, dass es zu einem sogenannten Verdichterpumpen des Verdichters 61 kommt. Das Verdichterpumpen tritt auf, wenn bei einer hohen Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite des Verdichters 61 ein geringer Massenstrom fließt. Dieser Betriebszustand wird häufig bei einem schnellen Lastwechsel von einer hohen Last zu einer niedrigen Last hervorgerufen, d.h. wenn die Drosselklappe 7 in die Schließstellung bewegt wird, so dass der durch das Saugrohr 5 transportierte Luftmassenstrom reduziert wird und der Ladedruck vor der Drosselklappe 7 entsprechend ansteigt. Das Verdichterpumpen wird also vermieden, indem das Schubumluftventil 12 bei diesen bestimmten Betriebszuständen geöffnet wird, um einem Druckausgleich zwischen der Ausgangsleitung des Verdichters 61 und der Eingangsleitung des Verdichters 61 zu schaffen. Ein Teil der Kompressionsleistung des Verdichters 61 wird somit während des Öffnens des Schubumluftventils 12 dafür genutzt, Luft im Kreis durch die Schubumluftleitung 11 zu pumpen bzw. Luft abzublasen.
Je nach Betriebszustand, bei dem das Schubumluftventil 12 geöffnet wird, kann es zu einem kurzzeitigem Rückströmen von Luft durch den Luftmassensensor 8 in die Umgebung kommen. Da die Konstruktion des Luftmassensensors in der Regel nicht dafür ausgelegt ist, einen zuverlässigen Luftmassenstrom-Messwert bei einer Stromrichtungsumkehr zu ermitteln, ist der von dem Luftmassensensor 8 bei einem Öffnen des Schubumluftventils 12 ermittelte Luftmassenstrom in der Regel nicht als Angabe für die Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 durch das Motorsteuergerät 10 geeignet. In diesem Fall kann durch ein geeignetes Modell der Drosselklappe 7 ein modellierter Ersatzwert für den Luftmassenstrom in den Luftzuführungsabschnitt 3 berechnet werden.
Das Drosselklappenmodell verwendet eine Standardgleichung für Drosseln, um basierend auf dem Druckunterschied über der Drosselklappe 7 den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe 7 zu ermitteln. Das Drosselklappenmodell wird in der Regel bei Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen, bei denen der Luftmassensensor 8 ordnungsgemäß arbeitet, anhand der bereitgestellten Messwerte des Luftmassensensors 8 in bekannter Weise, z.B. durch Beaufschlagen mit einem Korrekturoffset und/oder einem Korrekturfaktor, adaptiert, so dass bei einem Umschalten des Bereitstellens der Angabe des Luftmassenstroms von dem Messwert zu dem modellierten Wert kein Sprung auftritt.
Alternativ kann durch ein weiteres Modell anhand des Drucks im Saugrohr und anhand der Druckzahl ein Ersatzwert für den Luftmassenstrom modelliert werden. Dieses weitere Modell kann auch für Luftsysteme ohne Drosselklappe verwendet werden.
Das Verfahren zum Bereitstellen der Angabe des Luftmassenstroms in dem Motorsteuergerät 10 ist in 2 als Flussdiagramm dargestellt.
Es wird in Schritt S1 von einem Zustand ausgegangen, bei dem die Luftmassenstromangabe als Messwert von dem Luftmassensensor 8 bereitgestellt wird. Parallel zum Bereitstellen der Luftmassenstromangabe wird eine Summe der Massenströme über den Verdichter 61 modelliert, um die Luftmassenstromangabe, die von dem Luftmassensensor 8 gemessen wird, zu plausibilisieren. Die Modellierung der Summe der Luftmassenströme erfolgt unter Berücksichtigung des über die Drosselklappe strömenden Luftmassenstroms, des vor der Drosselklappe 7 befindlichen Volumens V. Bei der Modellierung der Summe der Luftmassenströme werden der Verdichter 61 und die Schubumluftleitung 11 zu einer Einheit zusammengefasst und es wird angenommen, dass der durch diese Einheit strömende Luftmassenstrom dem durch den Luftmassensensor 8 strömenden Luftmassenstrom entspricht.
Der Luftmassenstrom, der durch das Verdichtersystem aus Verdichter 61 und Schubumluftleitung 11 strömt, wird wie folgt ermittelt: $m_{v} (n + 1) = m_{v} (n) + {\dot{m}}_{V e r d} Δ t - {\dot{m}}_{D r o s s e l} Δ t$

wobei sich die Massendifferenz im Volumen $m_{v} (n + 1) - m_{v} (n) = {\dot{m}}_{V e r d} Δ t - {\dot{m}}_{D r o s s e l} Δ t$
mit $m_{v} (n + 1) - m_{v} (n) = \frac{Δ p \cdot V \cdot Δ t}{r \cdot T}$
Und ${\dot{m}}_{D r o s s e l} = f (p_{v o r D r p o s s e l k l a p p e}, p_{n a c h D r o s s e l k l a p p e}, S_{D r o s s e l k l a p p e n s t e u n g})$
ergibt. Es folgt: ${\dot{m}}_{V e r d} = \frac{Δ p \cdot V}{r \cdot T} + {\dot{m}}_{D r o s s e l}$
m_v entspricht dabei der Luftmasse im Volumen zwischen dem Verdichter 61 und der Drosselklappe 7, ṁ_Verd dem Luftmassenstrom durch den Verdichter 61, ṁ_Drossel dem Luftmassenstrom durch die Drosselklappe 7, V dem Volumen zwischen dem Verdichter 61 und der Drosselklappe 7, Δp der Druckdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklen im Volumen V vor der Drosselklappe7, p_{vorDrosselklappe} dem Druck vor der Drosselklappe 7, p_{nachDrosselklappe} dem Druck hinter der Drosselklappe 7, r der Gaskonstanten und T der Temperatur im Volumen V. Die Druckdifferenz Δp kann durch Messung des Drucks im Volumen V und Differenzbildung ermittelt werden.
Dazu werden in Schritt S2 die zu dieser Berechnung erforderlichen Messgrößen wie die Temperatur T im Volumen V vor der Drosselklappe 7, dem Druck p im Volumen V vor der Drosselklappe 7 mit Hilfe eines Drucksensors 13 gemessen und entsprechend die modellierten Größen, wie der Luftmassenstrom ṁ_Drossel über der Drosselklappe 7 bereitgestellt, um die Modellierung der Summe der Luftmassenströme durchzuführen.
Ergibt sich aus der oben beschriebenen Modellierung der Luftmassenströme, dass der Luftmassenstrom ṁ_Verd in den Verdichter 61, d.h. der Luftmassenstrom, der über den Luftmassensensor 8 fließt, kleiner ist als ein bestimmter Schwellenwert, was in Schritt S3 festgestellt wird (Alternative: Ja), so wird anstelle des Messwerts für den Luftmassenstrom der Ersatzwert gemäß dem Drosselklappenmodell in dem Motorsteuergerät 10 zur weiteren Berechnung der Ansteuerungsgröße für den Verbrennungsmotor 2 verwendet (Schritt S5). Der Ersatzwert für den Luftmassenstrom ergibt sich aus dem gemessenen Ladedruck, dem modellierten Saugrohrdruck (stromabwärts der Drosselklappe 7) und dem von den Motorsteuergerät 10 eingestellten Stellung der Drosselklappe 7.
Wird der Schwellenwert nicht unterschritten (Alternative: Nein), so wird in Schritt S4 eine Adaption des Drosselklappenmodells anhand der von dem Luftmassensensor 8 bereitgestellten Angabe über den Luftmassenstrom durchgeführt, d.h. das Drosselklappenmodell wird anhand des gemessenen Luftmassenstroms angepasst, so dass im Falle eines ungültigen Messwerts des Luftmassenstroms ein Ersatzwert mit möglichst hoher Genauigkeit bereitgestellt werden kann. Nach der Adaption des Drosselklappenmodells wird zum Schritt S1 zurückgesprungen, bei dem der Messwert des Luftmassensensors 8 als Luftmassenstromangabe erneut abgerufen und bereitgestellt wird.
Die Berechnung des Ersatzwertes wird in Schritt S5 durchgeführt und es wird anschließend zu Schritt S2 zurückgesprungen, um erneut die Überprüfung vorzunehmen, ob der Betriebszustand vorliegt, bei dem anstelle der Angabe des gemessenen Luftmassenstroms der Ersatzwert für die Durchführung der Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 herangezogen werden muss.
In 3 ist ein weiteres Motorsystem 1' schematisch dargestellt, das sich letztlich von dem Motorsystem der 1 dadurch unterscheidet, dass keine Schubumluftleitung die Eingangsseite und die Ausgangsseite des Verdichters 61 miteinander verbindet. Dieses Motorsystem 1' ist so konzipiert, dass das Verdichterpumpen bewusst bei bestimmten Betriebszuständen in Kauf genommen wird. Jedoch muss mit Hilfe einer Plausibilisierung festgestellt werden, ob der Messwert der Luftmassenstromangabe verwendet werden kann oder ob stattdessen ein Ersatzwert verwendet werden muss, nämlich wenn das Verdichterpumpen auftritt.
Das entsprechende Verfahren zur Bereitstellung der Angabe des Luftmassenstroms als Messwert oder als Ersatzwert ist in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt. Zunächst wird mit dem Schritt S11 der Messwert der Luftmassenstromangabe bereitgestellt. In Schritt S12 wird die Summe der Luftmassenströme über dem Verdichter 61 modelliert und dazu oben angegebene Rechenvorschrift verwendet. In Schritt S13 wird ein Betriebszustand des Motorsystems 1' festgestellt, bei dem ein Verdichterpumpen bevorzugt oder tatsächlich auftritt. Dies kann beispielsweise durchgeführt werden, indem überprüft wird, ob die gemessene Angabe des Luftmassenstroms über den Verdichter 61 periodisch unter eine Schwelle fällt. Insbesondere kann das Erfüllen dieser Bedingung bereits festgestellt werden, wenn der Druckgradient des Luftdrucks nach dem Verdichter 61, d.h. im Volumen V, ein periodisches Verhalten aufweist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin festzustellen, ob ein Lastwechsel mit einem bestimmten Gradienten erfolgt ist, wodurch ein Verdichterpumpen wahrscheinlich wird.
Wird ein Verdichterpumpen in Schritt S13 festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S15 der Ersatzwert für den Luftmassenstrom gemäß dem Drosselklappenmodell auf Grundlage der Drücke vor und nach der Drosselklappe 7 und der Angabe über die Stellung der Drosselklappe 7 ermittelt. Anschließend wird zu Schritt S11 zurückgesprungen, bei dem der Messwert für den Luftmassenstrom erfasst und die Summe der Luftmassenströme erneut modelliert wird, um zu erkennen, wann anstelle des Ersatzwertes der Messwert verwendet werden kann. Wird in Schritt S13 festgestellt, dass das periodische Verhalten des Luftmassenstroms nicht mehr vorliegt (Alternative: Nein), so wird das Drosselklappenmodell, das der Berechnung des Ersatzwertes zugrunde liegt, mit Hilfe der nun vorliegenden gemessenen Luftmassenstromangabe adaptiert (Schritt S14) und zu Schritt S11 des Bereitstellens des Messwertes des Luftmassenstroms zurückgesprungen.
Das Bereitstellen des Ersatzwertes des Luftmassenstroms beim Feststellen eines Verdichterpumpens kann auch durchgeführt werden, wenn bei vorhandener Schubumluftleitung ein fehlerhafter Zustand festgestellt wird, bei dem das Schubluftventil 12 sich nicht mehr öffnen lässt. In diesem Fall kann selbst bei einem Motorsystem, bei dem der Verdichter 61 eine Schubumluftleitung aufweist, ein Verdichterpumpen auftreten, so dass auch in Fällen, bei denen das Schubumluftventil 12 defekt ist, das Motorsteuergerät 10 die Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2 ordnungsgemäß mit Hilfe des Ersatzwertes für den Luftmassenstrom durchführen kann.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems (3) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), mit folgenden Schritten: - Erfassen (S1, S11) eines Kenngrößen-Messwertes als Angabe für die Kenngröße mit Hilfe eines Sensors; - Bereitstellen (S2, S12) eines Kenngrößenmodells, mit dem ein Kenngrößen-Modellwert anhand einer oder mehrerer von dem Kenngrößen-Messwert verschiedener Größen berechenbar ist. - Bereitstellen (S3, S4, S5; S13, S14, S15) der Kenngröße entweder basierend auf dem Kenngrößen-Messwert oder basierend auf dem von dem Kenngrößenmodell berechneten Kenngrößen-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems (3), wobei die Kenngröße einen Luftmassenstrom in dem Luftsystem (3) repräsentiert und als Kenngrößen-Messwert ein Luftmassenstrom-Messwert durch einen Luftmassensensor erfasst wird, wobei das Kenngrößenmodell ein Luftmassenstrommodell umfasst, wobei der Luftmassenstrom basierend auf dem Luftmassenstrom-Messwert oder basierend auf dem von dem Luftmassenstrommodell berechneten Luftmassenstrom-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems (3) bereitgestellt wird, wobei das Luftsystem eine Drosselklappe (7) stromabwärts eines Verdichters (61) einer Ladevorrichtung (6) aufweist, wobei das Luftmassenstrommodell anhand eines Luftmassenstromes durch die Drosselklappe (7) unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Volumens zwischen dem Verdichter (61) und der Drosselklappe (7) den Luftmassenstrom durch den Verdichter (61) als bereitzustellenden Luftmassenstrom ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei abhängig von dem Zustand des Luftsystems (3) das Kenngrößenmodell abhängig von dem Kenngrößen-Messwert adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die eine oder die mehreren von dem Kenngrößen-Messwert verschiedene Größen eine andere Messgröße oder eine andere Modellgröße umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Luftmassenstrom durch die Drosselklappe anhand eines Zustands der Drosselklappe (7) und einer Druckdifferenz über die Drosselklappe (7) anhand einer Drosselgleichung ermittelt wird und wobei das Verhalten des Volumens mit Hilfe der idealen Gasgleichung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei der Zustand des Luftsystems (3) einem Zustand entspricht, in dem eine Wahrscheinlichkeit für ein fehlerhaftes Erfassen des Luftmassenstrom-Messwerts einen Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Luftmassenstrom-Modellwert anstelle des Luftmassenstrom-Messwerts bereitgestellt wird, wenn Pulsationen des Luftmassenstroms durch den Verdichter (61) und/oder eines Drucks im Luftsystem (3) auftreten.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Luftmassenstrom-Modellwert anstelle des Luftmassenstrom-Messwerts bereitgestellt wird, wenn ein Schließen der Drosselklappe (7) mit einem einen Schwellenwert übersteigenden Gradienten erfolgt und/oder wenn der Luftmassenstrom-Messwert einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Luftmassenstrommodell, insbesondere bei einem Luftsystem (3) ohne Drosselklappe, den Luftmassenstrom anhand des Drucks an einem Einlass des Verbrennungsmotors (2) und anhand einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) ermittelt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2), wobei eine Kenngröße gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bereitgestellt wird, wobei Ansteuersignale für den Verbrennungsmotor (2) bereitgestellt werden, die abhängig von der Kenngröße generiert werden.
Vorrichtung eingerichtet zum Bereitstellen einer Kenngröße für einen Zustand eines Luftsystems (3) eines aufgeladenen Verbrennungsmotors (2), umfassend: - einen Sensor (8) zum Erfassen eines Kenngrößen-Messwertes als Angabe für die Kenngröße; - eine Berechnungseinheit (10), in der ein Kenngrößenmodell implementiert ist, mit dem ein Kenngrößen-Modellwert anhand einer oder mehrerer von dem Kenngrößen-Messwert verschiedener Größen berechenbar ist, wobei die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, die Kenngröße basierend auf dem Kenngrößen-Messwert oder basierend auf dem von dem Kenngrößenmodell berechneten Kenngrößen-Modellwert abhängig von einem Zustand des Luftsystems (3) bereitzustellen, wobei die Kenngröße einen Luftmassenstrom in dem Luftsystem repräsentiert, wobei der Sensor einen Luftmassensensor (8) umfasst, um als den Kenngrößen-Messwert einen Luftmassenstrom-Messwert zu erfassen, wobei die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, um als das Kenngrößenmodell ein Luftmassenstrommodell bereitzustellen und um den Luftmassenstrom abhängig von einem Zustand des Luftsystems entweder basierend auf dem Luftmassenstrom-Messwert oder basierend auf dem von dem Luftmassenstrommodell berechneten Luftmassenstrom-Modellwert bereitzustellen.
Motorsystem mit einer Vorrichtung nach Anspruch 10, und mit einem Verbrennungsmotor (2), dem Luft über das Luftsystem (3) zugeführt wird, wobei das Luftsystem (3) eine Drosselklappe (7) stromabwärts eines Verdichters (61) einer Ladevorrichtung (6) aufweist, wobei die Berechnungseinheit (10) ausgebildet ist, um das Luftmassenstrommodell anhand eines Luftmassenstromes durch die Drosselklappe (7) unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Volumens zwischen dem Verdichter (61) und der Drosselklappe (7) zu ermitteln.
Computerprogramm, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.