DE102010027882A1

DE102010027882A1 - Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit, sowie Verfahren zur Messung der Luftfeuchtigkeit

Info

Publication number: DE102010027882A1
Application number: DE102010027882A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rubbert Stephan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-17
Also published as: DE102010027882B4

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Das Steuerfahren dient insbesondere dazu, den Spitzendruck im Zylinder zu begrenzen. Gemäß dem Verfahren wird vorgeschlagen, den Zündwinkel und/oder den Ladedruck eines Verdichters in Abhängigkeit einer oder mehrerer Einflussgrößen einzustellen, nämlich in Abhängigkeit einer Lufttemperatur, einer Luftfeuchtigkeit und/oder des Umgebungsdrucks. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors gerichtet. Vorzugsweise wird die Luftfeuchtigkeit hierbei in Abhängigkeit eines feuchten Luftmassenstroms und eines dazu trockenen Luftmassenstroms bestimmt. Dabei wird der trockenere Luftmassenstrom in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde und einer Einspritzmenge bestimmt. Der feuchte Luftmassenstrom wird vorzugsweise mit einem Luftmassenmesser gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere mit dem Zweck der Begrenzung des Zylinder-Spitzendrucks.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Luftfeuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors, welches insbesondere bei dem Steuerverfahren angewendet werden kann.
Bisher wird der Spitzendruck im Zylinder eines Verbrennungsmotors durch die Klopfregelung begrenzt: Der Zündwinkel wird entsprechend dem über Motordrehzahl und Luftdurchsatz aufgespannten Kennfeld eingestellt, wobei dieser Zündwinkel mit der Klopfregelung korrigiert wird. Im Fall klopfender Verbrennung wird der Zündwinkel Richtung spät verschoben, wodurch der Spitzendruck im Zylinder sinkt.
Die Klopfregelung verwendet eine Körperschallsensorik, die nur tatsächlich klopfende Arbeitsspiele erkennt. Die Klopfregelung erkennt daher keine regulären – d. h. nicht klopfenden – Arbeitsspiele mit zu hohem Spitzendruck. Dies bedeutet, dass die Klopfregelung für hohe Drücke „blind” ist, solange kein Klopfen auftritt.
Daneben wird der Spitzendruck im Zylinder im Fall der Verwendung eines Abgasturboladers durch die Ladedruckregelung des Abgasturboladers begrenzt.
DE 3116593 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung von motorbetriebsoptimalen Zündzeitpunkten. Nach häufigem Auftreten einer charakteristischen Betriebsgröße in Zusammenhang mit einem Klingelsignal wird ein entsprechend korrigierter Zündzeitpunkt in einem Korrekturkennfeld abgespeichert, der etwas unterhalb der Klingelgrenze liegt. Bei erneutem Auftreten derselben charakteristischen Betriebsgröße wird daher ein optimaler Zündzeitpunkt angegeben, der knapp unterhalb der Klingelgrenze liegt. Die aus dem Korrekturkennfeld entnommenen Zündzeitpunktwerte werden einer Endkorrektur unterzogen, mit Hilfe derer die Zündzeitpunkte hinsichtlich verschiedener Einflussgrößen korrigiert werden; die Einflussgrößen können die Lufttemperatur oder die Luftfeuchtigkeit sein.
EP 0042163 B1 beschreibt eine Steuervorrichtung für die Kraftstoff-Luft-Gemischaufbereitung, wobei zur Verhinderung des Klopfens einer Brennkraftmaschine mit steigender Temperatur eine zunehmende Anfettung des Gemischs vorgenommen wird. Diese Anfettung erfolgt über Kennlinien als Funktion der Motortemperatur. Vorzugsweise kann noch zusätzlich anhand von Kennlinien oder Kennfeldern in Abhängigkeit der ansteigenden Temperatur eine Zündzeitpunktverstellung nach spät vorgenommen werden. Die Kennlinien und Kennfelder sind dabei so ausgelegt, dass ein Betriebszustand möglichst nahe der Klopfgrenze erreicht wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei dem der Zündwinkel und/oder der Ladedruck des Verdichters auf verbesserter Weise eingestellt wird, so dass insbesondere der Spitzendruck im Zylinder begrenzt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors anzugeben, welches zur Einstellung des Zündwinkels und/oder Ladedrucks verwendet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Das Steuerfahren dient insbesondere dazu, den Spitzendruck im Zylinder zu begrenzen. Gemäß dem Verfahren wird vorgeschlagen, den Zündwinkel und/oder den Ladedruck eines Verdichters (insbesondere eines Abgasturboladers) in Abhängigkeit einer oder mehrerer Einflussgrößen einzustellen, nämlich in Abhängigkeit

– einer Lufttemperatur (insbesondere vor dem Einlassventil und vor einem etwaig vorhandenen Verdichter), und/oder
– einer Luftfeuchtigkeit (insbesondere vor dem Einlassventil und vor einem etwaig vorhandenen Verdichter), und/oder
– des Umgebungsdrucks (diese kann beispielsweise am Luftfilter gemessen werden).

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich der Spitzendruck auch unter speziellen Umgebungsbedingungen einhalten:
Bei trockener Motorluft ist die wirksame Luftdichte höher als bei feuchter Luft, da bei feuchter Luft der vorhandene Wasserdampf einen Teil des Volumens einnimmt und die wirksame Luftdichte herabsetzt. Ferner wird die Verbrennung verlangsamt. Daher kann bei trockener Luft der zulässige Spitzendruck überschritten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dem entgegenwirken, indem der Zündwinkel in Abhängigkeit der Luftfeuchte eingestellt wird und der Motor mit abnehmender Luftfeuchtigkeit später zündet (d. h. mit zunehmender Luftfeuchtigkeit früher zündet).
Bei kalter Motorluft ist die Luftdichte höher als bei warmer Luft, so dass bei kalter Luft die Zylinderfüllung und damit der Zylinderdruck grundsätzlich größer sind, wobei der zulässige Spitzendruck überschritten werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dem entgegenwirken, indem der Zündwinkel in Abhängigkeit der Lufttemperatur eingestellt wird und der Motor beispielsweise mit abnehmender Lufttemperatur später zündet (d. h. der Motor mit zunehmender Temperatur früher zündet).
Insbesondere kann vorgesehen werden, dass bei dem Verfahren sowohl die Lufttemperatur als auch die Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden, da bei trockener, kalter Luft der zulässige Spitzendruck leicht überschritten werden kann.
Das Verfahren ermöglicht bei günstigen Bedingungen (d. h. bei feuchter und/oder warmer Luft) die Verwendung eines früheren Zündwinkels (als sonst verwendet wird), wobei ein früherer Zündwinkel in Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimaler ist (hierbei sollte dieser frühere Zündwinkel die Klopfgrenze aber nicht überschreiten).
Mit den Verfahren kann der Spitzendruck also auch unter speziellen Bedingungen durch Anpassung des Zündwinkels eingehalten werden; ferner lässt sich in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ein optimaler Zündwinkel einstellen. Damit wird die Motorlebensdauer insbesondere bei hoher Motorlast verbessert und der Verbrennungs-Wirkungsgrad gesteigert.
Bei dem Verfahren kann alternativ oder auch zusätzlich der Zündwinkel in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks eingestellt werden, da auch der Umgebungsdruck Einfluss auf den Spitzendruck im Zylinder hat.
Alternativ oder zusätzlich zur Einstellung des Zündwinkels in Abhängigkeit einer oder mehrerer der vorstehend genannten Einflussgrößen kann auch bei Verwendung eines Verdichters der Ladedruck in Abhängigkeit eines oder mehrerer der vorstehend genannten Einflussgrößen eingestellt werden.
Vorzugsweise sollte der Ladedruck mit zunehmender Luftfeuchtigkeit zunehmen, mit zunehmender Lufttemperatur zunehmen, und mit zunehmendem Umgebungsdruck abnehmen.
Ähnlich wie bereits in Hinblick auf den Zündwinkel erläutert, lässt sich mit dem Verfahren der Spitzendruck unter speziellen Bedingungen auch durch Anpassung des Ladedrucks einhalten; ferner lässt sich in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ein optimaler Ladedruck einstellen.
Es kann vorgesehen werden, dass eine Ladedruckreduktion in Abhängigkeit der Einflussgröße(n) erst dann vorgenommen wird, wenn die Zündwinkelreaktion nicht ausreicht, um den Zylinderdruck ausreichend zu begrenzen.
Vorzugsweise wird das Verfahren im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors angewendet: also nicht nur bei Volllast nahe der Klopfgrenze, sondern beispielsweise auch bei Teillast und im Leerlauf. Das Verfahren ermöglicht so eine Vorsteuerung zur Reduzierung des Spitzendrucks auch bei nicht klopfender Verbrennung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Zündwinkel bzw. der Ladedruck aus

– einem Basiswert bei einem bestimmten Normalwert der Einflussgröße, und
– einem Differenzwert

Vorzugsweise wird dabei der Differenzwert mit Hilfe eines Kennfelds bestimmt wird, welches insbesondere über der Drehzahl und dem Luftdurchsatz (oder dem Drehmoment) aufgespannt ist.
Vorzugsweise ist in dem Kennfeld nicht der jeweilige Differenzwert direkt abgelegt, sondern ein jeweiliger Gradientenwert. Durch Multiplikation der Abweichung zwischen dem Ist-Wert der Einflussgröße und dem Normalwert der Einflussgröße mit dem jeweiligen Gradientenwert lässt sich dann der Differenzwert berechnen.
Vorzugsweise werden der Zündwinkel und/oder der Ladedruck in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit eingestellt.
Die Luftfeuchtigkeit wird dabei vorzugsweise nicht mit einem konventionellen Luftfeuchtesensor gemessen, stattdessen wird vorzugsweise ein besonderes Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit angewendet. Hierbei wird die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde bestimmt. Dies bietet den Vorteil, auf einen kostspieligen Luftfeuchtesensor zu verzichten, und stattdessen das Signal einer Lambdasonde zu verwenden.
Vorzugsweise wird die Luftfeuchtigkeit hierbei in Abhängigkeit

– eines feuchten Luftmassenstroms und
– eines trockenen Luftmassenstroms

Über die Differenz aus der vom Luftmassenmesser gemessenen Luftmasse (= feuchter Luftmassenstrom) und der aus dem Lambdasondensignal sowie der Einspritzmasse berechneten Luftmasse (trockener Luftmassenstrom) lässt sich die Luftfeuchtigkeit leicht bestimmen. Die absolute Luftfeuchtigkeit ist nämlich proportional zu dieser Differenz.
Alternativ lässt sich die relative Luftfeuchtigkeit über das Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom und dem feuchten Luftmassenstrom bestimmen. Vorzugsweise werden aus dem Verhältnis der Partialdruck des Wasserdampfs und damit die relative Feuchtigkeit berechnet.
Ein zweiter Aspekt der Anmeldung ist auf ein Motorsteuergerät gerichtet, welches zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße Motorsteuergerät nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors gerichtet. Das Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit entspricht dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit. Das Verfahren kann beispielsweise zur Messung der Luftfeuchtigkeit im Rahmen der Einstellung des Zündwinkels oder des Ladedrucks in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit verwendet werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung ist auf eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit gerichtet, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde zu bestimmen. Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem dritten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem vierten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung kann in dem Motorsteuergerät integriert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Motors 1, beispielsweise eines Ottomotors, mit Motorsteuergerät 2. Der Motor 1 umfasst optional einen Abgasturbolader mit elektronischer Ladedruckregelung. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Ein Luftstrom wird von einem Verdichter 3 des Abgasturboladers verdichtet und einem Ladeluftkühler 4 zugeführt. Ferner ist ein Luftmassenmesser 5 vorgesehen, der den Luftmassenstrom misst. Bei dem Luftmassenstrom handelt es sich beispielsweise um eine Angabe in kg pro h. Der Luftmassenmesser 5 ist vorzugsweise vor dem Verdichter 3 angeordnet. Vor den Einlassventilen des Motors 1 befindet sich eine Drosselklappe 12, welche die Luftzufuhr steuert. Der Abgasstrom des Motors 1 treibt ausgangsseitig die Turbine 8 des Abgasturboladers. Ferner ist eine Bypass-Leitung mit Ladedruckregelventil 10 vorgesehen.
Im Abgasstrang befindet sich eine Lambdasonde 11, die das Verbrennungsluftverhältnis A misst. Dabei beschreibt das Verbrennungsluftverhältnis A das Verhältnis zwischen der tatsächlich für die Verbrennung dem Motor zugeführte Luftmenge und der zu vollständigen Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmasse.
Zur Ladedruckregelung wird der einzustellende Ladedruck vom Motorsteuergerät 2 in Abhängigkeit der Luftfeuchte und/oder Lufttemperatur bestimmt. Der Ladedrucksensor 7 erfasst den tatsächlich vorliegenden Ladedruck und meldet den erfassten Ladedruck an das Motorsteuergerät 2, welches daraufhin (über ein nicht dargestelltes Taktventil) die Stellung des Ladedruckregelventils 10 und damit den Abgasstrom zur Turbine 8 anpasst, so dass der gemessene Ladedruck dem einzustellenden Ladedruck entspricht.
Ferner wird der Zündwinkel in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit und/oder Lufttemperatur eingestellt. Die Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur können beispielsweise auf die Luft in dem Ansaugstrang vor dem Verdichter 3 bezogen werden (stattdessen könnte auch die Luft nach der Drosselklappe 12 betrachtet werden). Zur Temperaturmessung ist dazu vor dem Verdichter 3 ein Temperatursensor 6 vorgesehen. Ferner ist optional ein Drucksensor 13 vorgesehen. Diese kann beispielsweise an einem Luftfilter (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welcher stromaufwärts von dem Luftmassenmesser 5 angeordnet ist.
Der Zündwinkel ist auf den oberen Totpunkt (OT) als Nullpunkt bezogen; Zündwinkel vor dem OT werden dabei positiv gezählt. Ein späteres Zünden vor OT entspricht einem kleineren Zündwinkel, ein früheres Zünden vor OT entspricht einem größeren Zündwinkel.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Zündwinkels in Abhängigkeit der Feuchte und Temperatur mittels eines Basiswert aus einem Basiskennfeld und einem Differenzwert, welche über ein Gradienten-Kennfeld bestimmt wird, näher beschrieben. Die Berechnung des Ladedrucks läuft in analoger Weise ab. Außerdem kann auch eine der Einflussgrößen Feuchte oder Temperatur unberücksichtigt bleiben, der entsprechende Korrekturwert für Feuchte bzw. Temperatur in den nachfolgenden Gleichungen ist dann Null.
Der Absolut-Zündwinkel wird wie vorstehend erwähnt aus einem Basis-Zündwinkel α_zBasis|_x,y bei Normbedingungen (d. h. einer bestimmten Normtemperatur und einer bestimmten Normluftfeuchte) und den Korrekturwerten des Zündwinkels für die tatsächliche Ist-Temperatur und die tatsächliche Ist-Luftfeuchte, nämlich den Differenz-Zündwinkeln Δα_z,Φ|_x,y für die tatsächliche Ist-Luftfeuchte und Δα_z,T|_x,y für die tatsächliche Ist-Lufttemperatur bestimmt: α_z,Φ|_x,y = α_zBasis|_x,y + Δα_z,Φ|_x,y + Δα_z,T|_x,y.
Der Basis-Zündwinkel a_zBasis|_x,y wird aus einem abgespeicherten Basiskennfeld für den Zündwinkel ausgelesen, welches über der Drehzahl x und dem Luftdurchsatz y (oder Drehmoment oder eine andere Lastangabe) aufgespannt ist.
Zur Berechnung der Differenz-Zündwinkel Δα_z,Φ|_x,y und Δα_z,T|_x,y wird jeweils ein Gradienten-Kennfeld verwendet, das über der Drehzahl x und dem Luftdurchsatz y (oder Drehmoment oder eine andere Lastangabe) aufgespannt ist.
In jedem Gradienten-Kennfeld sind Gradienten-Werte ∂α_z,Φ|_x,y/∂Φ bzw. ∂α_z,T|_x,y/∂T über Drehzahl x und Luftdurchsatz y abgespeichert, die die Veränderung des Zündwinkels in Abhängigkeit von Feuchte bzw. Temperatur bei der jeweiligen Drehzahl und dem jeweiligen Luftdurchsatz y angeben. Dabei ist der Zündwinkelgradient für die Feuchte bzw. Temperatur typischerweise positiv (eine Zunahme der Feuchte oder der Temperatur kann durch ein früheres Zünden kompensiert werden, welches einer Zunahme des Zündwinkels entspricht).
Aus jedem Gradienten-Kennfeld wird für die aktuelle Drehzahl x und den aktuellen Luftdurchsatz y jeweils ein Gradienten-Wert ∂Δα_z,Φ|_x,y/∂Φ bzw. ∂Δα_z,T|_x,y/∂T ausgelesen.
Es wird jeweils die Abweichung ΔΦ bzw. ΔT von der jeweiligen Normbedingung als Differenz zwischen dem Ist- und dem Normzustand von Feuchte bzw. Temperatur gebildet, wobei die Normfeuchte Φ_Norm und die Normtemperatur T_Norm den im Basiskennfeld abgelegten Auslegungszustand bilden: ΔΦ = Φ_Ist – Φ_Norm, ΔT = T_Ist – T_Norm.
Die Differenz-Zündwinkel Δα_z,Φ|_x,y und Δα_z,T|_x,y bestimmen sich durch Multiplikation des jeweiligen Gradienten-Werts mit der jeweiligen Abweichung: Δα_z,Φ|_x,y = ∂Δα_z,Φ|_x,y/∂Φ·ΔΦ, Δα_z,T|_x,y = ∂Δα_z,T|_x,y/∂T·ΔT.
Die Absolut-Zündwinkel lässt sich in Abhängigkeit der Gradienten-Werte ∂Δα_z,Φ|_x,y/∂Φ bzw. ∂Δα_z,T|_x,y/∂T und der Abweichungen ΔΦ bzw. ΔT folgendermaßen angeben: α_z,Φ|_x,y = α_zBasis|_x,y + Δα_z,Φ|_x,y + Δα_z,T|_x,y = α_zBasis|_x,y + ∂Δα_z,Φ|_x,y/∂Φ·ΔΦ + ∂Δα_z,T|_x,y/∂T·ΔT.
Die Ist-Temperatur T_Ist wird mit dem Temperatursensor 6 ermittelt.
Zur Bestimmung der Ist-Luftfeuchtigkeit Φ_Ist wird vorzugsweise kein kostspieliger separater Feuchtefühler verwendet. Stattdessen wird die Ist-Luftfeuchtigkeit Φ_Ist mit Hilfe des Signals der Lambdasonde 11 bestimmt, insbesondere mit Hilfe des von dem Luftmassenmesser 5 gemessenen (feuchten) Luftmassenstroms m'_L,f und des aus dem Signal der Lambdasonde 11 sowie dem Einspritzimpuls berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'_L,t.
Dieser trockene Luftmassenstrom m'_L,t lässt sich beispielsweise gemäß folgender Gleichung berechnen: m'_L,t = m'_B·λ·L_S
Hierbei beschreiben m'_B den Einspritzmassenstrom, λ das Verbrennungsluftverhältnis und L_st den stöchiometrische Luftbedarf. Der stöchiometrische Luftbedarf L_st ist das Verhältnis aus der stöchiometrischen Luftmasse m'_L,st und der Brennstoffmasse m'_B und beträgt ungefähr 14,5.
Die relative Luftfeuchtigkeit lässt sich mit Hilfe des Quotienten aus dem berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'_L,t und dem, gemessenen (feuchten) Luftmassenstroms m'_L,f bestimmen; dies wird nachfolgend beschrieben
Aus dem Verhältnis zwischen der Luftdichte ρ_L,t der trockenen Luft und der Luftdichte ρ_L,f der feuchten Luft (dieses Verhältnis entspricht dem Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom m'_L,t zum feuchten Luftmassenstrom m'_L,f) lässt sich der Partialdruck P_D des Wasserdampfs und damit die relative Feuchtigkeit Φ_Ist berechnen. Für die Luftdichte ρ_L,t der trockenen Luft und die Luftdichte ρ_L,f der feuchten Luft gilt: ρ_L,t = (P – P_D)/R·T_Ist und ρ_L,f = P/R·T_Ist.
Hierbei beschreiben P den Luftdruck und T_Ist an einer bestimmten Stelle in dem Luftzuführungspfad zu den Zylindern, beispielsweise vor dem Verdichter 3. Zur Messung sind hier der Drucksensor 13 und der Temperatursensor 6 vorgesehen. Stattdessen könnten der Luftdruck und die Temperatur auch irgendwo anders in der Luftzuführung gemessenen werden, beispielsweise nach der Drosselklappe 12. Das Verhältnis von der Luftdichte ρ_L,t der trockenen Luft zur Luftdichte ρ_L,f der feuchten Luft entspricht dem Verhältnis von dem trockenen Luftmassenstrom m'_L,t zum feuchten Luftmassenstrom m'_L,f: ρ_L,t/ρ_L,f = (P – P_D)/P = m'_L,t/m'_L,f
Durch Umformen der letzten Gleichung nach dem Partialdruck P_D des Wasserdampfs lässt sich der Partialdruck P_D des Wasserdampfs bestimmen zu: P_D = P·(1 – m'_L,t/m'_L,f).
Die relative Luftfeuchtigkeit Φ_Ist entspricht dem Verhältnis zwischen dem Partialdruck P_D des Wasserdampfs und dem Sättigungsdampfdruck P_DS: Φ_Ist = P_D/P_DS.
Hierbei ist der Sättigungsdampfdruck P_DS eine temperaturabhängige Kennlinie. Die relative Luftfeuchtigkeit Φ_Ist lässt sich damit in Abhängigkeit des Quotienten aus dem trockenen Luftmassenstrom m'_L,t und dem feuchten Luftmassenstrom m'_L,f folgendermaßen bestimmen:
Mit Kenntnis der relativen Ist-Luftfeuchtigkeit Φ_Ist kann die Abweichung zur Norm-Luftfeuchtigkeit Φ_Norm und damit der Differenz-Zündwinkel Δα_z,Φ|_x,y unter Verwendung des jeweiligen Gradientenwerts bestimmt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die absolute Luftfeuchtigkeit bestimmt. Die absolute Luftfeuchtigkeit wird hierbei aus der Differenz zwischen dem gemessenen (feuchten) Luftmassenstrom –m'_L,f und dem berechneten (trockenen) Luftmassenstrom m'_L,t bestimmt: m'_L,f – m'_L,t = m'_L,f – m'_B·λ·L_st.
Die absolute Luftfeuchtigkeit Φ_Ist ist proportional zu dieser Differenz, d. h. Φ_Ist = k·(m'_L,f – m'_B·λ·L_st).
Die relative Feuchte ist an die Temperatur gekoppelt und ist daher im Vergleich mit der absoluten Luftfeuchtigkeit aufwändiger zu bestimmen (s. die Berechnung der relativen Feuchte vorher). Die absolute Feuchtigkeit kann gemäß der obigen Gleichung auf einfache Weise berechnet werden.
Diese berechnete absolute Ist-Luftfeuchtigkeit kann mit der absoluten Norm-Luftfeuchtigkeit verglichen werden, wobei die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit aus einem Kennfeld bestimmt wird. In dem Kennfeld ist die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit über der Motordrehzahl, dem feuchten Luftmassenstrom und der Temperatur (beispielsweise der Ansaugtemperatur) aufgetragen. Anhand der aktuellen Motordrehzahl, dem aktuellen (typischerweise über den Luftmassenmesser 5 gemessenen) Luftmassenstrom und der aktuellen Temperatur kann die absolute Norm-Luftfeuchtigkeit aus dem Kennfeld ermittelt werden. Die absolute Ist-Luftfeuchtigkeit und die aus dem Kennfeld ermittelte absolute Norm-Luftfeuchtigkeit werden dann verglichen (beispielsweise gemäß ΔΦ = Φ_Ist – Φ_Norm), und der Zündwinkel abhängig von der Abweichung ΔΦ unter Verwendung des jeweiligen Gradientenwerts korrigiert (beispielsweise gemäß Δα_z,Φ|_x,y = ∂Δα_z,Φ|_x,y/∂Φ·ΔΦ).
Bei Verwendung der relativen Feuchtigkeit ist eine Kennlinie über der Temperatur (statt eines Kennfelds über Motordrehzahl, Luftmassenstrom und Temperatur bei der absoluten Luftfeuchtigkeit) ausreichend.
Bei Motoren ohne Luftmassenmesser lässt sich aus dem Füllungsmodell eine Ersatzluftmasse erzeugen, die auf die vorstehend beschriebenen Algorithmen zur Bestimmung der Luftfeuchte angewendet werden kann.
Die vorstehend beschriebene Korrektur des Zündwinkels ermöglicht eine genaue Berücksichtigung der Feuchte und/oder Temperatur im gesamten Kennfeldbereich. Vorstehend wurde beschrieben, den Kennfeld-Zündwinkel mit einem motorlast- und drehzahlabhängigen Differenz-Zündwinkel in Abhängigkeit von der Feuchte zu korrigieren. In analoger Weise kann eine zweite Korrektur mit einem weiteren Differenzkennfeld (hier: Gradienten-Kennfeld) durchgeführt werden, um den Einfluss der Lufttemperatur berücksichtigen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann verhindert werden, dass bei speziellen Umgebungsbedingungen (z. B. trockene, kalte Luft) der zulässige Spitzendruck überschritten wird, und sichergestellt werden, dass bei anderen Bedingungen (z. B. hohe Luftfeuchtigkeit) der optimale Zündwinkel eingestellt wird.
Eine ähnliche Korrektur des Zündwinkels ist auch für den Umgebungsdruck möglich. Der Turbolader bewirkt zwar bis zu einem minimalen Umgebungsdruck, dass der Ladedruck eingehalten wird. Jedoch verursacht ein niedriger Umgebungsdruck einen höheren Gegendruck, da der Turbolader eine höhere Leistung braucht, um den Ladedruck zu erzeugen. Somit steigt der Spitzendruck im Zylinder. Damit können sich bei hohen Lasten die Klopfgrenze und der einstellbare Zündwinkel verändern. Bei mittlerer und niedriger Teillast sollte der Zündwinkel verändert werden, da mit steigendem Restgasanteil die Verbrennung verlangsamt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3116593 A1 [0006]
EP 0042163 B1 [0007]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (1), wobei – der Zündwinkel und/oder – der Ladedruck bei Verwendung eines Verdichters (3) in Abhängigkeit einer oder mehrere Einflussgrößen, nämlich in Abhängigkeit – einer Luftfeuchtigkeit, – einer Lufttemperatur, und/oder – des Umgebungsdrucks, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Begrenzen des Spitzendrucks im Zylinder dient.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors (1) angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Zündwinkel in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit eingestellt wird und der Motor (1) mit zunehmender Luftfeuchtigkeit früher zündet, – der Zündwinkel in Abhängigkeit der Lufttemperatur eingestellt wird und der Motor (1) mit zunehmender Temperatur früher zündet, und/oder – der Zündwinkel in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks eingestellt wird und der Motor (1) mit zunehmendem Umgebungsdruck später zündet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Ladedruck in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit eingestellt wird und der Ladedruck mit zunehmender Luftfeuchtigkeit zunimmt, – der Ladedruck in Abhängigkeit der Lufttemperatur eingestellt wird und der Ladedruck mit zunehmender Lufttemperatur zunimmt, und/oder – der Ladedruck in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks eingestellt wird und der Ladedruck mit zunehmendem Umgebungsdruck abnimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde (11) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit – eines feuchten Luftmassenstroms und – eines trockenen Luftmassenstroms bestimmt wird, wobei der trockene Luftmassenstrom in Abhängigkeit des Signals der Lambdasonde (11) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der trockene Luftmassenstrom in Abhängigkeit des Signals der Lambdasonde (11) und einer Einspritzmenge bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7–8, wobei die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem feuchten Luftmassenstrom und dem trockenen Luftmassenstrom bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7–9, wobei zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit folgende Differenz bestimmt wird: m'_L,f – m'_B·λ·L_st, wobei m'_L,f den feuchten Luftmassenstrom, m'_B den Einspritzmassenstrom, λ das Verbrennungsluftverhältnis und L_st den stöchiometrischen Luftbedarf angeben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7–8, wobei die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Verhältnisses von dem trockenen Luftmassenstrom und dem feuchten Luftmassenstrom bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Luftfeuchtigkeit ϕ gemäß folgender Beziehung bestimmt wird:
wobei m'_L,f den feuchten Luftmassenstrom, m'_L,t den trockenen Luftmassenstrom, m'_B den Einspritzmassenstrom, λ das Verbrennungsluftverhältnis, L_st den stöchiometrische Luftbedarf, P einen Druck in der Luftzuführung und P_DS den dort herrschenden Sättigungsdampfdruck angeben.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7–12, wobei der feuchte Luftmassenstrom mittels eines Luftmassenmessers (5) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zündwinkel bzw. der Ladedruck aus – einem Basiswert bei einem bestimmten Normalwert der Einflussgröße, und – einem Differenzwert bestimmt wird, wobei der Differenzwert von dem aktuellen Wert der Einflussgröße abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Differenzwert mit Hilfe eines Kennfelds bestimmt wird, welches insbesondere über – der Drehzahl und – dem Luftdurchsatz, dem Drehmoment oder einer anderen Lastangabe aufgespannt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Differenzwert durch Multiplikation – eines Gradientenwerts, welcher in dem Kennfeld abgelegt ist, mit – der Abweichung zwischen dem aktuellen Wert der Einflussgröße und dem Normalwert der Einflussgröße berechnet wird.
Motorsteuergerät (2), eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors (1), wobei die Luftfeuchtigkeit gemäß einem der Ansprüche 6–13 bestimmt wird.
Vorrichtung (2) zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit der Luft eines Verbrennungsmotors (1), welche eingerichtet ist, die Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit des Signals einer Lambdasonde (11) zu bestimmen.