DE102019115435A1

DE102019115435A1 - Verfahren und system zum schätzen des luftmassenstroms unter verwendung eines luftmassenstromsensors

Info

Publication number: DE102019115435A1
Application number: DE102019115435.9A
Authority: DE
Inventors: Zhijian J. Wu; Zhiping S. Liu; Ping Ge; Martino A. Casetti; Gregory P. Matthews
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-05-07
Also published as: CN111141523B; US20200141346A1; US10934960B2; CN111141523A

Abstract

Ein Verfahren und System zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder eines Verbrennungsmotors ist vorgesehen. Ein Ausgangssignal eines LMS-Sensors wird digital verarbeitet, um eine geschätzte Luftmasse pro Zylinder (LPZ) zu erhalten. Das System beinhaltet den LMS-Sensor; eine Datenerfassungseinheit, die eingerichtet ist, um ein Ausgangssignal vom LMS-Sensor zu empfangen und ein abgetastetes Signal mit einer Abtastrate von mehr als einer Abtastung pro Zündereignis zu erzeugen; einen MBP-Filter (Mehrfachbandpass), der eingerichtet ist, um Signalkomponenten zu entfernen, die durch Luftstrompulsationen und Schwingungen durch den LMS-Sensor verursacht werden; einen Hüllkurvendetektor, der eingerichtet ist, um die untere und obere Hüllkurve des MBP gefilterten Signals zu erfassen; einen LMS-Schätzer, der eingerichtet ist, um einen Luftmassenstrom basierend auf den erfassten unteren und oberen Hüllkurven zu schätzen; einen Signal-Dezimator; einen Tiefpassfilter; und einen LPZ-Konverter, um das Tiefpassfilter-Signal in eine geschätzte LPZ umzuwandeln.

Description

EINFUHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Motorsteuerungssysteme, insbesondere auf ein Verfahren und System zum Schätzen eines Luftmassenstroms zu einem Verbrennungsmotor unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors.
Moderne Verbrennungsmotoren verwenden einen Luftmassenstromsensor (LMS), um eine Echtzeitmessung des Luftmassenstroms in den Motor bereitzustellen, so dass das Motorsteuermodul (MSM) die entsprechende Kraftstoffmenge für die aktuellen Motordrehzahlen und Lastbedingungen planen kann. Gängige LMS-Sensoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, arbeiten nach dem Prinzip eines Hitzdraht-Anemometers, auch bekannt als Sensordraht, das konstanten Strom oder konstante Temperatur verwendet. Ein erwärmtes Element wird auf einer kontrollierten Temperaturerhöhung über die Umgebungstemperatur gehalten. Dieses erwärmte Element ist der Luft ausgesetzt, die in den Motor strömt, so dass der Luftstrom Wärme vom erwärmten Element wegführt. Die Menge an Leistung, die benötigt wird, um die Temperatur des erwärmten Elements und damit die Spannung über dem erwärmten Element aufrechtzuerhalten, variiert mit der Durchflussmenge. Der LMS-Sensor kann die Spannung über dem erwärmten Element skalieren, um eine Frequenz- oder Spannungsausgabe bereitzustellen, die mit dem Durchfluss variiert.
LMS-Sensoren, die nach dem Prinzip eines Hitzdraht-Anemometers arbeiten, bieten eine gute Genauigkeit bei der Messung der konstanten Richtung in eine einzige Richtung, auch bekannt als unidirektionaler Luftstrom, innerhalb eines Ansaugsystems zum Motor. Bei modernen Verbrennungsmotoren mit variabler Ventilsteuerung, Zwangsinduktion, vorgeschaltetem Emissionskontrollsystem, Zylinderabschaltung und anderen Motorverbesserungen zur Verbesserung der Kraftstoffeinsparung und Emissionskontrolle ist der tatsächliche Luftstrom im Ansaugsystem jedoch möglicherweise nicht unidirektional. Der Luftstrom durch das Ansaugsystem kann aufgrund der oben genannten Motorverbesserungen und -verbesserungen Pulsationen und Schwingungen, und keine reine unidirektionale Strömung über die LMS-Sensoren erfahren. Die Pulsationen und Schwingungen des Luftstroms können die Genauigkeit der LMS-Sensoren beeinträchtigen und damit den Kraftstoffverbrauch und die Emissionskontrolle beeinflussen.
Während die derzeitigen Systeme und Verfahren zum Schätzen des Luftmassenstroms zu einem Verbrennungsmotor ihren Zweck erfüllen, ist ein verbessertes Verfahren und System zum Schätzen des Luftmassenstroms in modernen Motoren erforderlich, um Pulsationen und Schwingungen des Luftstroms, des nicht unidirektionalen Luftstroms, innerhalb des Ansaugsystems zum Verbrennungsmotor zu berücksichtigen.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten ist ein Verfahren zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen eines LMS-Sensorausgangssignals von einem Luftmassenstromsensor (LMS), das Abtasten des LMS-Sensorausgangssignals, um ein abgetastetes LMS-Signal zu erzeugen; das Weiterleiten des abgetasteten LMS-Signals durch einen Mehrfachbandpassfilter (MBP); das Bestimmen einer oberen und einer unteren Hüllkurve des MBP-gefilterten abgetasteten LMS-Signals; Erzeugen eines geschätzten LMS-Signals als Funktion von mindestens einer der oberen Hüllkurven und der unteren Hüllkurve; Leiten des geschätzten LMS-Signals durch einen Dezimator, um ein dezimiertes LMS-Signal zu erzeugen; Leiten des dezimierten LMS-Signals durch einen Tiefpassfilter; und Berechnen einer Luftmasse pro Zylinder aus dem tiefpassgefilterten dezimierten LMS-Signal.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Luftmasse pro Zylinder nach der Formel berechnet: LPZ = LMS * 120000 / (Azyl * RPM). wobei LPZ Luft pro Zylinder in Milligramm (mg)/Zylinder ist; LMS der Luftmassenstrom Gramm pro Sekunde (g/s) ist; Azyl die Anzahl der Zylinder ist; und U/min die Umdrehung pro Minute des Verbrennungsmotors ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der Schritt des Abtastens des LMS-Signals das Abtasten des LMS-Signals mit einer Abtastrate von mehr als einer Abtastung pro Zylinderzündereignis.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beträgt die Abtastrate 3 Abtastungen pro Zylinderzündereignis.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der Schritt des Leitens des abgetasteten LMS-Signals durch den Mehrfachbandpassfilter (MBP) zur Erzeugung des MBP-gefilterten LMS-Signals das Filtern des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter, um vorbestimmte unerwünschte Signalkomponenten zu entfernen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Verfahren ferner das Erzeugen des geschätzten LMS-Signals als Funktion der unteren Hüllkurve.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Verfahren ferner das Erzeugen eines digitalen Impulssignals durch den Luftmassenstromsensor (LMS), wobei das digitale Impulssignal eine Signalspannung ist, die mit einer Rate des Luftmassenstroms durch den LMS-Sensor korreliert; das Umwandeln des digitalen Impulssignals in ein LMS-Frequenzsignal; und das Ausgeben des LMS-Frequenzsignals als das Ausgangssignal des LMS-Sensors.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung entfernt der Schritt der Weitergabe des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter Signalkomponenten, die durch mindestens eine der Luftstrompulsationen und Schwingungen durch den LMS-Sensor verursacht werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung entfernt der Schritt der Weitergabe des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter harmonische Frequenzkomponenten mit ungerader Nummer.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Verfahren ferner den Schritt der Kommunikation der berechneten Luftmasse pro Zylinder mit einem Motorsteuergerät.
Gemäß mehreren Aspekten ist ein auf digitaler Signalverarbeitung basierendes Luftmassenschätzungssystem (DSV-Luftmassenschätzungssystem) für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Das DSV-Luftmassenschätzungssystem beinhaltet einen LMS-Sensor (Mass Airflow Sensor), der eingerichtet ist, um ein LMS-Sensor-Ausgangssignal zu erzeugen, das mit einer Echtzeitmessung eines Luftmassenstroms durch den LMS-Sensor korreliert; eine Datenerfassungseinheit, die eingerichtet ist, um das LMS-Sensor-Ausgangssignal vom LMS-Sensor zu empfangen und ein abgetastetes LMS-Signal mit einer Abtastrate von mehr als einer Abtastung pro Zündereignis des Verbrennungsmotors zu erzeugen; einen Mehrfachbandpassfilter (MBP), der eingerichtet ist, um das abgetastete LMS-Signal zu filtern und ein MBP gefiltertes Signal auszugeben; einen Hüllkurvendetektor, der eingerichtet ist, um die untere und obere Hüllkurve des MBP gefilterten Signals zu erfassen und ein Hüllkurvenausgangssignal auszugeben; und einen LMS-Schätzer, der eingerichtet ist, um einen Luftmassenstrom basierend auf dem Hüllkurvenausgangssignal zu schätzen und ein geschätztes LMS-Signal auszugeben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das System ferner einen Signal-Dezimator, der eingerichtet ist, um das geschätzte LMS-Signal zu dezimieren; und einen Tiefpassfilter, der eingerichtet ist, um das dezimierte LMS-Signal weiter zu verarbeiten, um unerwünschte Störungen oder Störungen zu entfernen und ein Tiefpassfiltersignal auszugeben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das System weiterhin einen Luft/Zylinder (LPZ)-Konverter, der eingerichtet ist, um eine Luftmasse pro Zylinder basierend auf dem Tiefpassfiltersignal zu berechnen und ein geschätztes LPZ-Signal auszugeben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der LPZ-Konverter ferner eingerichtet, um die Luft pro Zylinder unter Verwendung der Formel zu schätzen: LPZ = LMS * 120000 / (Azyl * RPM). wobei LPZ Luft pro Zylinder in Milligramm (mg)/Zylinder ist; LMS der Luftmassenstrom Gramm pro Sekunde (g/s) ist; Azyl die Anzahl der Zylinder ist; und U/min die Umdrehung pro Minute des Verbrennungsmotors ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Datenerfassung ferner eingerichtet, um ein abgetastetes LMS-Signal mit einer Abtastrate von 3 Abtastungen pro Zündereignis des Verbrennungsmotors zu erzeugen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der MBP-Filter ferner eingerichtet, um Signalkomponenten herauszufiltern, die durch mindestens eine der Luftstrompulsationen und -schwingungen durch den LMS-Sensor verursacht werden.
Gemäß mehreren Aspekten ist ein Kraftfahrzeug mit einem DSV-Modul vorgesehen. Das Kraftfahrzeug beinhaltet einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder; einen Luftmassestromsensor (LMS), der eingerichtet ist, um ein LMS-Sensorausgangssignal zu erzeugen, das mit einer Echtzeitmessung eines Luftmassenstroms in den Verbrennungsmotor korreliert; und das digitale Signalverarbeitungsmodul (DSV), das eingerichtet ist, um das LMS-Sensorausgangssignal von dem LMS digital zu verarbeiten, um eine Luftmenge pro Zylinder (LPZ) zu schätzen. Das DSV-Modul beinhaltet eine Datenerfassungseinheit, die eingerichtet ist, um das LMS-Sensorausgangssignal vom LMS-Sensor zu empfangen und ein abgetastetes LMS-Signal mit einer Abtastrate von 3 Abtastungen pro Zündereignis des Verbrennungsmotors zu erzeugen; und einen Mehrfachbandpassfilter (MBP), der eingerichtet ist, um das abgetastete LMS-Signal zu filtern, um Signalkomponenten zu entfernen, die durch mindestens eine von Luftstrompulsationen und -schwingungen durch den LMS-Sensor verursacht werden, und ein MBP gefiltertes Signal auszugeben.
In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das DSV-Modul ferner einen Hüllkurvendetektor, der eingerichtet ist, um die unteren und oberen Hüllkurven des MBP gefilterten Signals zu erfassen und ein Hüllkurvenausgangssignal auszugeben; einen LMS-Schätzer, der eingerichtet ist, um einen Luftmassenstrom basierend auf dem Hüllkurvenausgangssignal zu schätzen und ein geschätztes LMS-Signal auszugeben; einen Signal-Dezimator, der eingerichtet ist, um das geschätzte LMS-Signal zu dezimieren; und einen Tiefpassfilter, der eingerichtet ist, um das dezimierte LMS-Signal weiter zu verarbeiten, um unerwünschtes Rauschen oder Interferenz zu entfernen und ein Tiefpassfilter-Signal auszugeben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das DSV-Modul weiterhin einen Luft/Zylinder (LPZ)-Konverter, der eingerichtet ist, um eine Luftmasse pro Zylinder basierend auf einem Tiefpassfiltersignal zu berechnen und ein geschätztes LPZ-Signal auszugeben.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin enthaltenen Beschreibung. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die konkreten Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und nicht dazu dienen, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Draufsicht eines Fahrzeugs mit einem System zum Schätzen des Luftstroms unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors gemäß einer exemplarischen Ausführungsform,
2 ist ein Blockdiagramm eines auf digitaler Signalverarbeitung (DSV) basierenden Luftmassenschätzungssystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform;
3 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder eines Verbrennungsmotors unter Verwendung des Systems von 2 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform,
4 zeigt ein digitales Impulsausgangssignal eines Luftmassenstromsensors;
5 zeigt ein Frequenzausgangssignal, das aus dem digitalen Impulsausgangssignal von 4 umgewandelt wird;
6 zeigt ein LMS-Sensorausgangssignal, das aus dem Frequenzausgangssignal von 5 umgewandelt wurde;
7 zeigt eine Fast Fourier Transformation über den Kurbelwellen-Winkelfrequenzbereich des LMS-Sensorausgangssignals von 6, wobei die Kurbelwellen-Winkelfrequenz in der Einheit der Ereignisse pro Zyklus (EPZ) angezeigt wird;
8 zeigt ein mehrbandiges, durchlaufgefiltertes LMS-Sensorausgangssignal von 6;
9 zeigt eine Fast Fourier Transformation über den Kurbelwellenwinkelbereich des mehrfach gefilterten LMS-Sensorausgangssignals von 8;
10 zeigt eine erfasste obere und untere Hüllkurve des mehrbändigen, durchlaufgefilterten LMS-Sensorausgangssignals von 8;
11 zeigt ein geschätztes LMS-Signal von der oberen und unteren Hüllkurve von 10;
12 zeigt ein dezimiertes LMS-Signal aus 11;
13 zeigt eine tiefpassfilterte, dezimierte untere Hüllkurve von 12; und
14 zeigt die geschätzte Luftmasse pro Zylinder (LPZ) basierend auf dem tiefpassfilterten dezimierten LMS-Signal von 13.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Die veranschaulichten Ausführungsformen werden in Bezug auf die Figuren offenbart, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den mehreren Figuren angeben. Die Zahlen sind nicht unbedingt skalierbar und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert werden, um Details zu bestimmten Merkmalen darzustellen. Die offenbarten spezifischen strukturellen und funktionalen Details sind nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern als repräsentative Grundlage für die Vermittlung eines Fachmanns der Ausführung der offenbarten Konzepte.
Ein Luftmassenstromsensor (LMS) ist eine zentrale Komponente zur Messung des Luftstroms in einen Ansaugkrümmer für moderne Motorsteuerungen. Mit dem gemessenen Luftmassenstrom kann die Luftmasse in den Motorzylinder, meist als Massenluft pro Zylinder (LPZ) bezeichnet, berechnet werden. Basierend auf dem berechneten LPZ kann die gewünschte Kraftstoffmenge berechnet werden, die jedem Zylinder für eine effiziente Verbrennung zugeführt wird. Die vorhandenen Methoden zur Schätzung von LPZ mit Hilfe von LMS-Sensoren sind ausreichend für Verbrennungsmotoren, die eine minimale Pulsation oder Schwingung des Luftstroms über die LMS-Sensoren aufweisen. Bei modernen Verbrennungsmotoren mit übertriebener Pulsation oder Schwingung des Luftstroms über die LMS-Sensoren aufgrund von Motorverbesserungen, wie variable Ventilsteuerung, Zwangsinduktion, Zylinderabschaltung, Vorab-Emissionskontrolle usw., wurde jedoch festgestellt, dass die aktuellen Verfahren die LPZ um 10 bis 15 Prozent übersteigen können. Die Überschätzung des Luftstroms kann zu einem ungenauen Kraftstoff-Luftverhältnis führen, das für eine effiziente Verbrennung erforderlich ist, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und/oder Emissionen in die Umwelt führen kann.
Die vorliegende Offenbarung bietet ein neuartiges Verfahren und System zum Schätzen der LPZ eines Verbrennungsmotors, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit einem Hubkolben. In der offenbarten Ausführungsform werden die Ausgangssignale eines LMS-Sensors digital verarbeitet, um einen geschätzten LPZ zu erhalten. Es wird erwogen, dass die vorliegende Offenbarung für LMS-Sensoren in einer Vielzahl von Motorkonfigurationen, wie z.B. diesel- oder benzinbetriebene Verbrennungsmotoren sowie Kolben- oder Drehmotoren, umgesetzt werden kann. Es wird ferner erwogen, dass die LMS-Sensoren nicht auf Hitzdraht-Anemometer-LMS-Sensoren beschränkt sind und auch Hitzeschichts-LMS-Sensoren und andere bekannte LMS-Sensoren beinhalten können.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem LMS-Sensor 102, der eingerichtet ist, um den Luftmassenstrom zu einem Verbrennungsmotor 104 mit mindestens einer Brennkammer 106 oder einem Zylinder 106 zu messen. Der LMS-Sensor 102 kann der eines Hitzdraht-Anemometers vom Typ LMS sein, der in einem Ansaugsystem (nicht dargestellt) angeordnet ist und Luft zum Verbrennungsmotor 104 leitet. Somit beinhaltet der LMS-Sensor 102 eine zugehörige Schaltung, die ein Signal, auch als LMS-Sensor-Ausgangssignal 108 bezeichnet, in Bezug auf die Wärmeübertragung durch den Sensordraht ausgibt, der sich innerhalb des Pfades des Luftstroms befindet. Das LMS-Sensorausgangssignal 108 wird von einem DSV-Modul (Digitale Signal Verarbeitung) 110 verarbeitet, das ein System enthält, das ein Verfahren zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder des Verbrennungsmotors 104 verwendet. Das DSV-Modul 110 ist in einem Motorsteuergerät (MSM) 112 angeordnet. Es ist zu beachten, dass das DSV-Modul 110 ein separates Modul vom MSM 112 sein kann und vom MSM 112 beabstandet ist, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Das DSV-Modul 110 kommuniziert elektronisch mit dem MSM 112, indem es ein digital verarbeitetes Ausgangssignal an das MSM 112 sendet. Das MSM 112 kann eine mikroprozessorgesteuerte Steuerung beinhalten, die das digital verarbeitete Ausgangssignal des DSV-Moduls 110 sowie andere Motorparameter überwacht und den Kraftstoffabgabebefehl zusammen mit anderen Motorsteuersignalen berechnet und die Signale an die Einspritzventile und andere Motorbedienelemente weiterleitet. Das MSM 112 kann durch Programmierung eines oder mehrerer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (PROM)-Chips im MSM 112 an das DSV-Modul 110 angepasst werden.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Blockdiagramm eines DSV-basierten Luftmassenschätzsystems, das im Allgemeinen durch die Referenznummer 200 angegeben ist und hierin als DSV-System 200 bezeichnet wird. Das DSV-System 200 schätzt die Luftmasse pro Zylinder (LPZ) für einen Hubkolbenverbrennungsmotor basierend auf einem Luftmassenschätzverfahren. Das System beinhaltet den LMS-Sensor 102 von 1, eine Datenerfassungseinheit 204, einen Multiband-Pass (MBP)-Filter 206, einen Hüllkurvendetektor 208, einen LMS-Schätzer 210, einen Signal-Dezimator 212, einen Tiefpassfilter 214 und ein LMS-Signal zum LPZ-Konverter 216. Die Datenerfassungseinheit 204, der MBP-Filter 206, der Hüllkurvendetektor 208, der LMS-Schätzer 210, der Signal-Dezimator 212, der Tiefpassfilter 214 und das LMS-Signal zum LPZ-Konverter 216 können im DSV-Modul 110 untergebracht oder zwischen dem LMS-Sensor 102 und dem MSM 112 verteilt oder auf andere elektronische Systeme im Fahrzeug 100 verteilt sein. So kann beispielsweise die Datenerfassungseinheit 204 eine integrierte Schaltung innerhalb der Schaltung des LMS-Sensors 102 sein; der LMS zu LPZ-Konverter 216 kann eine integrierte Schaltung oder ein Mikroprozessor innerhalb des MSM 112 sein; und der MBP-Filter 206, der Signal-Dezimator 212 und der Tiefpassfilter 214 können dedizierte hardwarebasierte Filter und/oder rekonfigurierbare softwaredefinierte Filter sein.
Der LMS-Sensor 102 ist eingerichtet, um das LMS-Sensor-Ausgangssignal 108 zu erzeugen, das mit der Echtzeitmessung des Luftmassenstroms in den Verbrennungsmotor 104 korreliert. Die Datenerfassungseinheit 204 ist eingerichtet, um das LMS-Sensorausgangssignal 108 vom LMS-Sensor 102 zu empfangen und ein abgetastetes LMS-Signal 220 mit einer Abtastrate zu erzeugen, die höher als eine Abtastung pro Zylinderzündereignis im Kurbelwinkelbereich des Motors ist. Der MBP-Filter 206 ist eingerichtet, um unerwünschte Signalkomponenten zu entfernen und behält die gewünschten Signalkomponenten aus dem abgetasteten LMS-Signal 220 bei und gibt ein MBP-gefiltertes Signal 222 aus. Der Hüllkurvendetektor 208 ist eingerichtet, um die untere und obere Hüllkurve des MBP gefilterten Signals 222 zu erfassen und stellt ein Hüllkurvenausgangssignal 224 mit oberen und unteren Hüllkurven zur Verfügung. Der LMS-Schätzer 210 ist eingerichtet, um ein geschätztes LMS-Signal 226 basierend auf der unteren und oberen Hüllkurve des Hüllkurvenausgangssignals 224 auszugeben. Der Signal-Dezimator 212 ist eingerichtet, um das geschätzte LMS-Signal 226 zu dezimieren, um die Rechenlast zu reduzieren und ein dezimiertes LMS-Signal 228 auszugeben. Der Tiefpassfilter 214 ist eingerichtet, um das dezimierte LMS-Signal 228 weiterzuverarbeiten, um unerwünschte Störungen oder Störungen zu entfernen und ein Tiefpassfilter-Signal 230 auszugeben. Der LMSzu-LPZ-Konverter 216 ist eingerichtet, um die Luftmasse zu berechnen, die in die Motorzylinder eintritt, basierend auf dem digital verarbeiteten LMS-Signal im Tiefpassfiltersignal 230 und ein geschätztes LPZ-Signal 232 an das MSM 112 auszugeben.
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren unter Verwendung der digitalen Signalverarbeitung (DSV) zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder eines Verbrennungsmotors 104, im Allgemeinen durch die Referenz 300 angegeben, auch als DSV-Verfahren 300 bezeichnet. Das DSV-Verfahren 300 wird durch das DSV-System 200 von 2 für das Fahrzeug 100 von 1 implementiert. Das DSV-Verfahren 300 beginnt in Block A, wobei der Verbrennungsmotor 104 in Betrieb ist und der LMS-Sensor 102 eine LMS-Sensorsignalspannung erzeugt, die mit einer Menge des Luftmassenstroms durch den LMS-Sensor 102 zum Verbrennungsmotor 104 korreliert. Der Spannungsausgang des LMS-Sensorsignals kann ein digitales Impulssignal oder ein analoges Signal sein, das dann von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) in ein digitales Impulssignal umgewandelt wird. Das vom LMS-Sensor 102 erzeugte digitale Impulssignal wird hierin als Sensor Digitaler Impulsausgang 302 bezeichnet, wie in 4 dargestellt.
In Block B wird der digitale Impulsausgang 302 des LMS-Sensors in ein LMS-Frequenzsignal 304 umgewandelt, das das LMS-Sensorausgangssignal 108 ist, wie in 2 dargestellt. 5 zeigt eine Darstellung eines exemplarischen LMS-Frequenzsignals 304. In Block C wird das LMS-Frequenzsignal 304 mit einer Rate von 3 Abtastungen pro Zündereignis abgetastet. Ein Zündereignis, auch bekannt als Zündungsereignis, ist das Ereignis, bei dem das Luft-KraftstoffGemisch in einer Brennkammer, wie beispielsweise einem Zylinder, eines Verbrennungsmotors entweder durch eine Zündkerze in einem Benzinmotor oder durch Verdichtung in einem Dieselmotor gezündet wird. So finden beispielsweise in einem Vierzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor zwei Zündvorgänge in zwei separaten Zylindern für jede 360-Grad-Drehung (eine Umdrehung) der Kurbel statt. Alle vier Zylinder werden einmalig in einer Drehung der Kurbelwelle um 720 Grad gezündet. Der LMS-Frequenzfilter 304 wird von der Datenerfassungseinheit 204 abgetastet, um das abgetastete LMS-Signal 220 zu erzeugen, das ein hochfrequentes moduliertes Signal ist, das die Informationen über die Geschwindigkeit des Luftmassenstroms durch den LMS-Sensor 102 enthält. 6 zeigt ein exemplarisch abgetastetes LMS-Signal 220. 7 ist eine Fast Fourier Transform (FFT) 308, die die ungeraden und geraden Oberwellen des abgetasteten LMS-Signals 220 anzeigt.
In Block D wird das abgetastete LMS-Signal 220 durch den MBP-Filter 206 geleitet, um unerwünschte Signalkomponenten, wie z.B. die durch Luftstrompulsationen und -schwingungen verursachten harmonischen Frequenzkomponenten mit ungerader Nummer von Oberwellen, zu entfernen und die gewünschten Signalkomponenten, wie z.B. die Gleichstromkomponente (DC) und die geradzahligen harmonischen Frequenzkomponenten, zu erhalten. Die unerwünschten Komponenten des abgetasteten LMS-Signals 220 können durch Vergleich des abgetasteten LMS-Signals 220 mit dem eines kalibrierten LMS-Signals (nicht dargestellt) bestimmt werden, das von einer Referenzmaschine erzeugt wird. Eine Referenzmaschine ist eine Maschine, bei der der Motor, der Ansaugweg des Motors und die zugehörigen Komponenten so eingerichtet sind, dass alle Pulsationen und Schwingungen des Luftstroms durch den LMS-Sensor der Referenzmaschine reduziert oder beseitigt werden. Die Reduzierung oder Beseitigung der Pulsationen und Schwingungen des Luftstroms durch den LMS-Sensor der Referenzmaschine wird durch Labor-Luftstrommessgeräte in Verbindung mit der Referenzmaschine überprüft. Das MBP-gefilterte abgetastete LMS-Signal 220 wird als MBP-gefiltertes Signal 222 bezeichnet, wie in 8 dargestellt. 9 ist eine Fast Fourier Transform (FFT) 312 des MBP gefilterten Signals 222, die die ungerade Nummer von Oberwellen anzeigt, die aus dem abgetasteten LMS-Signal 220 herausgefiltert wurden.
In Block E bestimmt der Hüllkurvendetektor 208 die obere und untere Hüllkurve des MBP gefilterten Signals 222 basierend auf jeder Motorumdrehung oder jedem Motorzyklus und erzeugt ein Hüllkurvenausgangssignal 224. Die Hüllkurven des oszillierenden MBP gefilterten Signals 310 sind sanfte Kurven, die die Extrema des MBP gefilterten Signals 222 umreißen, bei dem die Sinuswelle zwischen der oberen und einer unteren Hüllkurve variiert. Die Hüllkurvenausgangssignale 224 sind in 10 dargestellt. In Block F wird ein geschätzter Luftmassenstrom aus der oberen und unteren Hüllkurve bestimmt, d.h. das geschätzte LMS-Signal 226 kann in Abhängigkeit von der oberen und unteren Hüllkurve, f(EU, EL), ausgedrückt werden, wobei EU, EL die untere und obere Hüllkurve (lower and upper envelopes) sind. Es wurde festgestellt, dass in einigen Anwendungen die untere Hüllkurve (EL) am genauesten mit den gemessenen Laborgeräten für den Luftmassenstrom korreliert. 11 zeigt ein Beispiel für das geschätzte LMS-Signal 226.
In Block G dezimiert der Signal-Dezimator das hochratige Luftmassenstromsignal zu einem niederratigen Luftmassenstromsignal, d.h. eine Abtastinformation pro Zündereignis, um die Rechenlast zu reduzieren. Das dezimierte Signal mit niedriger Rate wird als dezimiertes LMS-Signal 228 bezeichnet. 12 zeigt ein exemplarisches dezimiertes LMS-Signal 228. In Block H wird der Tiefpassfilter 214 auf das dezimierte LMS-Signal 228 angewendet, um das Tiefpassfiltersignal 230 zu erzeugen. In Block I berechnet der LMS zu LPZ-Konverter 216 die Luftmasse pro Zylinder (LPZ) in Milligramm (mg) aus den im Tiefpassfiltersignal 230 enthaltenen Luftmassenstrominformationen unter Verwendung der Formel: LPZ = LMS * 120000 / (Azyl * RPM). wobei LMS der Luftmassenstrom Gramm pro Sekunde (g/s) ist, Azyl die Anzahl der Zylinder ist, RPM die Motordrehzahl in Umdrehungen pro Minute. Der LMS zu LPZ Konverter 216 sendet dann ein geschätztes LPZ-Signal 232 an das MSM 112.
Das offenbarte Verfahren zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder wurde im Dynamometer unter Verwendung einer modernen Motorkonfiguration (Testmaschine) mit übertriebener Pulsation oder Schwingung des Luftstroms über den LMS-Sensor 102 und einer Referenzmaschinenkonfiguration (Referenzmaschine) mit minimaler bis keiner Pulsation oder Schwingung des Luftstroms über den LMS-Sensor getestet. Der Luftstrom zur Brennkammer der Testmaschine wird durch kalibrierte Laborgeräte gemessen, um den Luftstrom zu bestimmen und zu präzisieren, um einen echten LPZ zu berechnen. Die LPZ werden bei vorgegebenen Motordrehzahlen geschätzt und mit dem wahren LPZ verglichen, der von Laborgeräten gemessen wird, um einen relativen Fehler zu erhalten, und die LPZ-Schätzvorbereitung wird ausgewertet.

Tabelle 1 unten zeigt die relativen Fehler des LPZ, wie sie mit der offenbarten erfinderischen DSV-Methode und der bestehenden Methode für die Prüfmaschine geschätzt werden. Die hierin offenbarte erfinderische Methode erreicht eine wesentlich genauere Schätzung für die Prüfmaschine im Vergleich zum Stand der Technik. Tabelle 1 zeigt den Schätzleistungsvergleich für das neue LPZ-Schätzverfahren und das bestehende LPZ-Schätzverfahren für einen Motor mit verbesserten Emissionskontrollen. Die offenbarte Methode erreicht eine Reduktion des relativen Schätzfehlers um mehr als 73%. Tabelle 1

RPM	Bestehende Methode Relativer Fehler (%)	Neue DSV-Methode Relativer Fehler (%)	Reduzierung des relativen Fehlers (%)
1300	15.2	3.77	75
1400	12.7	2.87	77
1500	11.4	2.53	78
1600	10.3	2.74	73
1700	10.1	2.57	75

Tabelle 2 unten zeigt die relativen Fehler der LPZ, wie sie mit der hierin offenbarten erfindungsgemäßen DSV-Methode und dem bestehenden Stand der Technik für die Referenzmaschine geschätzt werden. Das offenbarte Verfahren verbessert nicht nur die LPZ-Schätzungsleistung für die Prüfmaschine mit übertriebener Pulsation des Luftstroms über den LMS-Sensor 102, sondern auch für die Referenzmaschine mit minimaler bis keiner Pulsation des Luftstroms über den LMS-Sensor 102. Die offenbarte Methode erreicht eine Reduktion des relativen Schätzfehlers um mehr als 33%. Tabelle 2

RPM	Bestehende Methode Relativer Fehler (%)	Neue DSV-Methode Relativer Fehler (%)	Reduzierung des relativen Fehlers (%)
1300	3.14	1.96	38
1400	3.28	1.99	39
1500	3.95	2.53	36
1700	4.29	2.87	33

Das Verfahren und System zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder für eine Hubkolbenverbrennung bietet den Vorteil einer verbesserten Genauigkeit der LPZ-Schätzungen und verbessert so den Kraftstoffverbrauch und das Emissionsniveau. Ein weiterer Vorteil ist die LPZ-Schätzungsleistung, die für einen Motor mit übermäßig pulsierenden und oszillierenden Luftströmungen über den LMS-Sensor 102 sowie mit Motoren mit minimalen pulsierenden und schwingenden Luftströmungen über den LMS-Sensor 102 deutlich verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine oder nur eine minimale Kalibrierung erforderlich ist, wodurch der Zeitaufwand für Kalibrierarbeiten entfällt oder reduziert wird. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren und System einfach ist und eine sehr geringe Rechenlast aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren mit aktuellen, produktionsreifen LMS-Sensoren und MSMs implementiert wird.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil, die Erfindung umfasst alle Alternativen, Änderungen und Äquivalente, die in Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche einbezogen werden können.

Claims

Beansprucht wird:
Ein Verfahren zum Schätzen der Luftmasse pro Zylinder eines Verbrennungsmotors, umfassend: Empfangen eines LMS-Sensorausgangssignals von einem Luftmassestromsensor (LMS), Abtasten des LMS-Sensorausgangssignals, um ein abgetastetes LMS-Signal zu erzeugen; Leiten des abgetasteten LMS-Signals durch einen Mehrfachbandpassfilter (MBP), um ein MBP-gefiltertes LMS-Signal zu erzeugen; Bestimmen einer oberen Hüllkurve und einer unteren Hüllkurve des MBP-gefilterten LMS-Signals; Erzeugen eines geschätzten LMS-Signals als Funktion von mindestens einer der oberen Hüllkurven und unteren Hüllkurven; Leiten des geschätzten LMS-Signals durch einen Dezimator, um ein dezimiertes LMS-Signal zu erzeugen; Leiten des dezimierten LMS-Signals durch einen Tiefpassfilter, um ein tiefpassgefiltertes dezimiertes LMS-Signal zu erzeugen; und Berechnen einer Luftmasse pro Zylinder aus dem tiefpassgefilterten dezimierten LMS-Signal.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Luftmasse pro Zylinder berechnet wird unter Verwendung von: $LPZ = LMS * 120000 / (Azyl * RPM);$
wobei LPZ Luft pro Zylinder in Milligramm (mg)/Zylinder ist; wobei LMS der Luftmassenstrom Gramm pro Sekunde (g/s) ist; wobei Azyl die Anzahl der Zylinder ist; und wobei die RPM die Umdrehungen pro Minute des Verbrennungsmotors ist.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Abtastens des LMS-Sensorausgangssignals das Abtasten des LMS-Sensorausgangssignals mit einer Abtastrate von mehr als einer Abtastung pro Zylinderzündereignis beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abtastrate 3 Abtastungen pro Zylinderzündereignis beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Leitens des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter, um das MBP-gefilterte LMS-Signal zu erzeugen, das Filtern des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter beinhaltet, um vorbestimmte unerwünschte Signalkomponenten zu entfernen.
Das Verfahren nach Anspruch 2 ferner umfassend das Erzeugen des geschätzten LMS-Signals als Funktion der unteren Hüllkurve.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Erzeugen eines digitalen Impulssignals durch den Luftmassenstromsensor (LMS), wobei das digitale Impulssignal eine Signalspannung ist, die mit einer Geschwindigkeit des Luftmassenstroms durch den LMS-Sensor korreliert; Umwandeln des digitalen Impulssignals in ein LMS-Frequenzsignal; und Ausgeben des LMS-Frequenzsignals als Ausgangssignal des LMS-Sensors.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Leitens des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter das Entfernen von Signalkomponenten beinhaltet, die durch mindestens eine von einer Luftstrompulsation und einer Luftstromschwingung durch den LMS-Sensor verursacht werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Leitens des abgetasteten LMS-Signals durch den MBP-Filter ungerade Nummern von harmonischen Frequenzkomponenten entfernt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Übertragens der berechneten Luftmasse pro Zylinder an ein Motorsteuergerät.