DE102018220391A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms (ṁ) einer Verbrennungskraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckdifferenzwert über einen im Saugrohr befindlichen Strömungswiderstand ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Druckdifferenzwerts über den Strömungswiderstand der Luftmassenstrom (ṁ) im Saugrohr ermittelt wird und mindestens ein Steller für den Luftmassenstrom (ṁ) in Abhängigkeit des ermittelten Luftmassenstroms (ṁ) geregelt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstromes für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Computerprogramm.
• Stand der Technik
• Bei Verbrennungsmotoren mit elektrischer Motorsteuerung wird das Frischluftmassensignal, insbesondere bei Dieselmotoren, mit einem Frischluftmassenstromsensor, wie z. B. einem Heißfilmluftmassensensor (HFM) gemessen. Das gemessene Frischluftmassensignal wird von der elektrischen Motorsteuerung eingelesen. Die Softwarefunktionen in der Motorsteuerung stellen beispielsweise basierend auf dem gemessenen Frischluftmassensignal eine gewünschte Frischluftmasse und damit eine gewünschte Motorfüllung ein. Typischerweise ist der Frischluftmassenstromsensor zwischen einem Luftfilter (AFLT) und Verdichter im Frischluftpfad des Verbrennungsmotors angebracht.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms einer Verbrennungskraftmaschine nach den unabhängigen Ansprüchen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, eines der Verfahren durchzuführen.
• Vorteile der Erfindung
• In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms einer Verbrennungskraftmaschine vorgestellt, wobei ein Differenzdruck über einen im Saugrohr befindlichen Strömungswiderstand ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Druckdifferenzwerts über den Strömungswiderstand der Luftmassenstrom im Saugrohr ermittelt wird und mindestens ein Steller für den Luftmassenstrom in Abhängigkeit des ermittelten Luftmassenstroms geregelt wird. Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Luftmassenstrom mittels eines Modells ermittelt wird und somit auf einen Luftmassensensor verzichtet werden kann. Somit können Kosten eingespart werden.
• Weiterhin ist es von Vorteil, wenn ein nicht-lineares Verhalten des Strömungswiderstands in Abhängigkeit der Druckdifferenz bei der Ermittlung des Luftmassenstroms (ṁ_AFLT) berücktsichtig wird.
  Dies ist von besonderem Vorteil, da mittels der Erweiterung des Modells die Genauigkeit des ermittelten Luftmassenstroms verbessert werden kann, wodurch die Robustheit und die Sicherheit für die Verbrennungskraftmaschine gesteigert wird.
• Ferner kann der Strömungswiderstand ein Luftfilter oder ein Ladeluftkühler sein. Wichtig hierbei ist, dass der verwendete Strömungswiderstand ein nicht-lineares Verhalten in Abhängigkeit des Differenzdrucks aufweist.
• Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Steller eine Drosselklappe (7) und/oder ein Abgasrückführventil und/oder ein Bypass für einen Turbolader (9) ist.
  Mittels der Drosselklappe lässt sich der Luftmassenstrom besonders einfach regeln oder durch die Kombination von Drosselklappe, Abgasrückführventil und/oder Turbolader.
• Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Berechnung des Luftmassenstroms über die Drossel- oder die Bernoulli-Gleichung durchgeführt wird.
  Diese Berechnungen können besonders einfach und ressourcenschonend in einem Steuergerät durchgeführt werden. Weiterhin sind diese Modelle sehr präzise und sehr robust für die Ermittlung des Luftmassenstroms.
  In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät und ein Computerprogramm, die zur Ausführung eines der Verfahren eingerichtet, insbesondere programmiert, sind. In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
• Figurenliste
• 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 10,
• 2 den beispielhaften Ablauf des Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms in einer bevorzugten Ausführungsform.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Frischluftleitung 60, über die der Verbrennungskraftmaschine 10 Luft 50 zugeführt wird, und eine Abgasleitung 70, über die in Strömungsrichtung Abgase 51 aus der Verbrennungskraftmaschine 10 abgeführt werden. Die Darstellung ist dabei auf für die folgende Darstellung relevante Teile beschränkt.
• In der Frischluftleitung 60 ist in Strömungsrichtung der Luft 1 gesehen Folgendes angeordnet: Ein erster Sensor 1, ein Luftfilter 2, ein Drucksensor 3, ein Verdichter 4 eines Abgasturboladers 9, ein Ladeluftkühler 6 und eine Drosselklappe 7. In der vorliegenden Ausführungsform durchströmt die Frischluft 50 den Luftfilter 2, wobei der Luftfilter 2 dabei Schmutzpartikel aus der einströmenden Frischluft 50 abscheidet. Dies führt mit der Zeit dazu, dass der Luftfilter sich mehr und mehr mit Partikeln zusetzt.
  Der erste Sensor 1 kann derart ausgestaltet sein, dass er einen Druck p₀ und eine Temperatur T₀ in der unmittelbaren Umgebung stromaufwärts vor dem Strömungswiderstand ermittelt.
  Die Übertragung der Signale erfolgt dabei vorzugsweise kabelgebunden oder drahtlos an ein Steuergerät 100.
  Im vorliegenden Beispiel ist der Drucksensor 3 derart ausgestaltet, dass der Drucksensor 3 einen Differenzdruck p_diff zwischen dem Druck p₁ im Saugrohr stromabwärts des Luftfilters 2 und einem Atmosphährendruck p_env ermittelt. Hierzu ist der Drucksensor 3 als Relativdrucksensor ausgestaltet, wobei eine erste Messstelle des Drucksensors 3 innerhalb des Saugrohrs liegt und die zweite Messstelle offen in der Atmosphäre angeordnet ist, so dass ein Atmosphärendruck p_env gemessen wird. Weiterhin kann das Steuergerät 100 die Drehzahl n_eng und die Einspritzmenge q_inj der Verbrennungskraftmaschine 10 ermitteln.
  Alternativ kann Differenzdruck über den Luftfilter 2 mittels des Drucks p₀ und des Drucks p₁ in bekannter Art und Weise ermittelt werden.
• In der Abgasleitung 70 ist ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 10 in Strömungsrichtung des Abgases 51 Folgendes angeordnet: eine Abgasturbine 16 des Abgasturboladers 9 und Abgasnachbehandlungskomponenten 17, wie z.B. ein Oxidationskatalysator (DOC), ein Partikelfilter 18 und ein selektives katalytisches System 20.
  Die Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten 17 des Oxidationskatalysators, des Dieselpartikelfilters und des selektiven katalytischen Systems 20 ist dabei nur beispielhaft und kann je nach Ausführung der Verbrennungskraftmaschine 10 variieren.
• Stromaufwärts der Abgasturbine 16 des Abgasturboladers 9, d.h. auf einer Hochdruckseite der Abgasleitung 70, zweigt von der Abgasleitung 70 eine Abgasrückführleitung 24 ab, die stromaufwärts vor der Verbrennungskraftmaschine 10 und die stromabwärts nach der Drosselklappe 7 in die Frischluftleitung 60 mündet. Stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 10 befinden sich entlang der Abgasrückführleitung ein Hochdruck-Abgasrückführ-Ventil 23, ein Hochdruck-Abgasrückführ-Kühler 22 und Hochdruck-Abgasrückführ-Bypass 21. Die Rückführung von Abgas dient der Verringerung der Emission der Verbrennungskraftmaschine 10.
• Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist im Folgenden Beispiel als eine 4-zylindrige Verbrennungskraftmaschine aufgebaut. Die 4-Zylinder umfassen jeweils mindestens ein nicht weiter in der Zeichnung visualisiertes Ein- und Auslassventil. Das Verfahren ist auch auf Verbrennungskraftmaschinen mit einer anderen Anzahl von Zylindern, insbesondere auf Verbrennungskraftmaschinen mit 1,2,3,6 und 8-Zylindern übertragbar.
• Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine 10 werden durch das Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine 10 Druckwellen erzeugt. Diese Druckwellen können z. B. mittels Drucksensoren im Ansaug- und Abgaspfad detektiert werden.
• Basierend auf der Bernoulli-Gleichung oder alternativ mit der Drosselgleichung lässt sich der Frischluftmassenstrom ṁ. über den Strömungswiderstand wie folgt berechnen. Die Drosselgleichung für den Luftfilter 2 als Strömungswiderstand ergibt sich der Frischluftmassenstrom über den Luftfilter 2 zu: $${\dot{m}}_{AFLT}=A_{eff}\cdot p_0\sqrt{\frac{2}{R\cdot T_0}}\cdot \mathrm{\Psi }\left(\frac{p_0-\mathrm{\delta }{p}_{Airflt}}{p_0}\right)$$

  

  mit A_eff die effektiv durchströmte Fläche des Luftfilter 2, p₀ dem Druck stromaufwärts des Luftfilters 2, R der allgemeinen Gaskonstante, To der Temperatur stromaufwärts des Luftfilters 2 und Δp_Airflt der Druckdifferenz über den Luftfilter 2. Ψ ist dabei die Durchflussfunktion in Abhängigkeit des Differenzdrucks über den Luftfilter 2 und dem Druck p₀ stromaufwärts des Luftfilters 2.
• Für die effektiv durchströmte Fläche des Luftfilters 2 zeigt sich ein nicht zu vernachlässigender nicht-linearer Zusammenhang in Abhängigkeit des Druckabfalls über den Luftfilter 2.
  Alternativ kann der Luftmassenstrom ṁ_AFLT auch über die Bernoulli-Gleichung ermittelt werden. Der Luftmassenstrom ṁ_AFLT ergibt sich dann zu: $${\dot{m}}_{AFLT}=A_{eff}\cdot c_1\cdot \sqrt{\mathrm{\Delta }{p}_{Airflt}\cdot \frac{{\text{p}}_0}{R\cdot T_0}}$$

  

  mit A_eff die effektiv durchströmte Fläche des Luftfilters 2, p₀ dem Druck stromaufwärts des Luftfilters 2, R der allgemeinen Gaskonstante, T0 der Temperatur stromaufwärts des Luftfilters 2 und Δp_Airflt der Druckdifferenz über den Luftfilter 2. c₁ ist dabei ein Umrechnungsfunktion für die effektiv durchströmte Fläche A_eff.
• In der 2 ist der beispielhafte Ablauf des Verfahrens dargestellt.
• In einem ersten Schritt 500 wird der Druck p₀ und die Temperatur To stromaufwärts des Luftfilters 2 und der Differenzdruck Δp_Airflt über den Luftfilter 2 ermittelt. Die Signale werden vom Steuergerät 100 von den Sensoren empfangen und abgespeichert. Alternativ oder zusätzlich können der Druck p₀, die Temperatur To und der Differenzdruck Δp_Airflt über einen vorgebbaren Zeitbereich, insbesondere kontinuierlich, empfangen und/oder ermittelt werden. Unter einem vorgebbaren Zeitbereich kann vorzugsweise ein Zeitintervall startend zu einem ersten Zeitpunkt und endend mit einem zweiten Zeitpunkt verstanden werden. Vorzugsweise können die im Zeitbereich empfangenen und/oder ermittelten Werte über den Zeitbereich gemittelt werden. Alternativ kann als Strömungswiderstand auch der Ladeluftkühler 6 für die Ermittlung des Luftmassenstroms ṁ_AFLT verwendet werden.
• Anschließend wird in einem Schritt 510 mittels eines Modells die zum derzeitigen Betriebspunkt effektiv durchströmte Fläche A_eff des Luftfilters 2 in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp_Airflt ermittelt. $$A_{eff}=f\left(\mathrm{\Delta }{p}_{Airflt},T_{Env},p_{env},n_{eng},q_{inj}\right)$$

  
• Für die effektive Fläche A_eff des Luftfilters 2 wird hierbei ein Wert aus einem Modell in Abhängigkeit von der anliegenden Druckdifferenz Δp_Airflt über den Luftfilter 2 und/oder der Drehzahl n_eng der Verbrennungskraftmaschine 10 und/oder der derzeitigen Einspritzmenge q_inj und/oder der Umgebungstemperatur T_Env und/oder des Umgebungsdrucks p_env ermittelt. Das Modell kann z. B. eine Funktionsvorschrift wie in Gleichung (3) sein.
  Das nicht-lineare Verhalten für die effektive Fläche des Luftfilters 2 in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp_Airflt wurde insbesondere durch Prüfstandsmessungen des Luftfilters 2 durchgeführt und die Ergebnisse werden vorzugsweise in einem Kennfeld oder einer Kennlinie gespeichert.
  Mittels der oben genannten Größen wird dann aus dem Kennfeld die effektiv durchströmte Fläche A_eff für den Luftfilter 2 zum derzeitigen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 ermittelt und im Steuergerät 100 abgespeichert.
• In einem Schritt 520 wird mit der effektiv durchströmten Fläche A_eff anschließend der Luftmassenstrom ṁ_AFLT mittels der Drosselgleichung (1) oder der Bernoulli-Gleichung (2) ermittelt und als Regelparameter insbesondere für eine Soll-Luftmassenstromvorgabe verwendet. Geregelt wird dabei der Ist-Wert für den Luftmassenstrom auf einen Soll-Wert für den Luftmassenstrom für die Verbrennungskraftmaschine 10, wobei der Luftmassenstrom durch die Ansteuerung der Drosselklappe 6 und/oder die Ansteuerung des Hochdruck-Abgasrückführventils 23 und/oder die Steuerung des Turboladers 9, insbesondere durch die Ansteuerung eines Waste-Gate Ventils oder alternativ durch eine Ansteuerung einer variablen Turbinengeometrie für den Turbolader 9, eingestellt wird. Anschließend kann das Verfahren in einem Schritt 500 von vorne begonnen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms (ṁ_AFLT) für eine Verbrennungskraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck (Δp_Airflt) über einen im Saugrohr befindlichen Strömungswiderstand ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit des Druckdifferenzwerts über den Strömungswiderstand der Luftmassenstrom (ṁ_AFLT) im Saugrohr ermittelt wird und mindestens ein Steller für den Luftmassenstrom (ṁ_AFLT) in Abhängigkeit des ermittelten Luftmassenstroms (ṁ_AFLT) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wobei ein nicht-lineares Verhalten des Strömungswiderstands in Abhängigkeit der Druckdifferenz bei der Ermittlung des Luftmassenstroms (ṁ_AFLT) berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand ein Luftfilter (2) oder ein Ladeluftkühler ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steller eine Drosselklappe (7) und/oder ein Abgasrückführventil und/oder ein Bypass für einen Turbolader (9) ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Luftmassenstroms (ṁ_AFLT) über die Drossel- oder die Bernoulli-Gleichung durchgeführt wird.
6. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
7. Elektronisches Speichermedium mit einem Computerprogramm nach Anspruch 6.
8. Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.

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