DE102022203409A1

DE102022203409A1 - Verfahren zur Anpassung einer einzuspritzenden Kraftstoffmasse

Info

Publication number: DE102022203409A1
Application number: DE102022203409.0A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Wagner; Benedikt Alt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12
Also published as: US11913399B2; CN116892458A; US20230323830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoffmasse (ṁdirect), wobei der Verbrennungsmotor einen Ansaugtrakt (2), mindestens einen Zylinder (1) und einen Abgastrakt (9) umfasst. Bei dem Verfahren wird eine in den Verbrennungsmotor eingebrachte Luftmasse (ṁair) ermittelt und eine in den Verbrennungsmotor einzuspritzende Kraftstoffmasse (ṁdirect) bestimmt. Des Weiteren wird ein Luft-Kraftstoffverhältnis λsensim Abgastrakt (9) des Verbrennungsmotors bestimmt, die zeitlich angepasst wird. Anhand des zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnisses (λcorr) und der berechneten einzuspritzenden Kraftstoffmasse (ṁdirect) wird eine erste Wandfilmkraftstoffmasse (ṁwf,1) berechnet und die einzuspritzenden Kraftstoffmasse (ṁdirect) basierend auf der erste Wandfilmkraftstoffmasse (ṁwf,1) angepasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoffmasse sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Zur Vermeidung schädlicher Emissionen ist es notwendig, dass Kraftstoff, der in einen Verbrennungsmotor eingespritzt wird, auch vollständig verbrannt wird. Für eine solche vollständige Verbrennung ist ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis im Zylinder des Verbrennungsmotors erforderlich. Dieses wird beispielsweise mittels einer Lambdasonde im Abgastrakt des Verbrennungsmotors erfasst und mittels einer sogenannten Lambdaregelung im Motorsteuergerät geregelt. Da die Lambdaregelung bei Lastwechselvorgängen jedoch erst aufgrund einer gemessenen Abweichung des Luft-Kraftstoffverhältnisses (Lambdaabweichung) verzögert reagieren kann, kommt es gerade im transienten Bereich zu Abweichungen des gemessenen Lambdawerts vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis. Eine dynamische Vorsteuerung kann dafür sorgen, dass die Lambdaabweichungen im transienten Bereich ebenfalls minimiert werden. In diesem Zusammenhang kann eine sog. Übergangskompensation eingesetzt werden.
In DE 10 2007 005 381 A1 wird ein Verfahren zum Anpassen einer Übergangskompensation bei einem Verbrennungsmotor offenbart, bei dem Kraftstoff gemäß einer korrigierten Einspritzmenge in ein Saugrohr eingespritzt wird, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu bilden, das einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei eine einer Luftmasse in der Brennkammer entsprechende Einspritzmenge mit einer Kompensationsmenge beaufschlagt wird, um die korrigierte Einspritzmenge zu erhalten.
Die Übergangskompensation muss an einer Vielzahl von Betriebspunkten sorgfältig angepasst werden. Dies findet im Rahmen der Applikationsphase des Steuergeräts üblicherweise nur an einigen wenigen Fahrzeugen statt. Aufgrund von Bauteiltoleranzen in der Flotte sowie aufgrund von Alterungseffekten kommt es in der Praxis zu der Situation, dass die auf diese Weise angepasste Übergangskompensation nicht bei jedem Fahrzeug und nicht zu jeder Zeit die transienten Lambdaabweichungen bestmöglich korrigiert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Anpassen einer in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoffmasse sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine sogenannte Übergangskompensation, die zur Anpassung der Kraftstoffmasse insbesondere bei Lastwechseln des Motors dient, im Betrieb eines Fahrzeugs angepasst und nachgeführt werden. Während der Entwicklungsphase kann mit Hilfe des Verfahrens der Applikationsaufwand reduziert werden und im laufenden Betrieb eines Fahrzeugs sorgt die Erfindung dafür, dass das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis auch während Lastwechselvorgängen zuverlässig beibehalten wird und somit transiente Gemischabweichungen zuverlässig minimiert werden.
Der Verbrennungsmotor umfasst einen Ansaugtrakt, mindestens einen Zylinder und einen Abgastrakt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung, d.h. die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in den Ansaugtrakt des Motors. Besonders bevorzugt wird Benzin in den Ansaugtrakt des Ottomotors eingespritzt.
Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, einen Korrekturwert für die einzuspritzende Kraftstoffmasse zu bestimmen, indem die verbrannte Kraftstoffmasse bestimmt und mit der eingespritzten Kraftstoffmasse verglichen wird. Ein Unterschied zwischen diesen Werten wird der tatsächlichen Wandfilmmasse zugeordnet, auf Grundlage derer dann die einzuspritzende Kraftstoffmasse oder eine im System anderweitig bestimmte Wandfilmmasse korrigiert werden kann. Die verbrannte Kraftstoffmasse wird vorzugsweise aus der zugeführten Luftmasse und dem aktuellen gemessenen Lambdawert bestimmt, wobei vorzugsweise weiterhin berücksichtigt wird, dass dem gemessenen aktuellen Lambdawert eine um eine bestimmte Zeit früher eingespritzte Kraftstoffmasse zugehörig ist. Wenn hier oder im Folgenden von einer Masse die Rede ist, soll damit immer auch ein Massenstrom, d.h. eine Masse pro Zeiteinheit, umfasst sein.
Im Einzelnen wird eine in den mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingebrachte Luftmasse ermittelt. Unter einer in den Verbrennungsmotor „eingebrachten“ Luftmasse soll eine von dem Verbrennungsmotor angesaugte Luftmasse und/oder eine mittels eines Verdichters in den Verbrennungsmotor geförderte Luftmasse verstanden werden. Die Luftmasse kann beispielsweise mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angebrachten Heißfilmluftmassenmessers (HFM) gemessen oder mittels eines im Ansaugtrakt, vor einem Einlassventil des Verbrennungsmotors, gemessenen Drucks bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Luftmasse anhand eines Massenstrommodells basierend auf einer Stellung einer im Ansaugtrakt befindlichen Drosselklappe bestimmt werden. Weiterhin wird eine in den Verbrennungsmotor einzuspritzende Kraftstoffmasse bestimmt. Entsprechende Bestimmungs- bzw. Rechenfunktionen sind im Fach hinreichend bekannt.
Luft und Kraftstoff müssen in einem bestimmten Verhältnis in den Zylinder des Verbrennungsmotors geführt werden, damit dort eine vollständige (stöchiometrische) Verbrennung erfolgen kann. Es gilt: $λ = \frac{{\dot{m}}_{a i r}}{{\dot{m}}_{f u e l} \cdot L_{s t}}$
wobei 2 das Luft-Kraftstoffverhältnis, ṁ_air der Luftmassenstrom, ṁ_fuel der Kraftstoffmassenstrom und L_st den stöchiometrischen Luftbedarf bezeichnen. Beispielsweise beträgt der stöchiometrische Luftbedarf L_st für Benzin 14,7, d.h. man benötigt 14,7 kg Luft um 1 kg Benzin vollständig zu verbrennen. In diesem Fall der stöchiometrischen Verbrennung ist das Luft-Kraftstoffverhältnis λ = 1. Ist mehr Kraftstoff vorhanden, als verbrannt werden kann (λ < 1), so spricht man von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch, während man bei Luftüberschuss (λ > 1) von einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch spricht.
Basierend auf der ermittelten, in den mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors eingebrachten Luftmasse kann die tatsächlich verbrannte Kraftstoffmasse bei bekanntem Luft-Kraftstoffverhältnis λ demzufolge ebenfalls aus Gleichung (1) bestimmt werden.
Ein Messen des Luft-Kraftstoffverhältnisses im Abgastrakt kann beispielsweise mit einer Lambdasonde erfolgen, die den Restsauerstoff im Abgas ermittelt und daraufhin ein dem Luft-Kraftstoffverhältnis proportionales Spannungssignal ausgibt. Das Signal der Lambdasonde wird an das Motorsteuergerät gesendet, in dem ein sogenannter Lambdaregler dafür sorgt, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis bei Abweichungen von dem vorgegebenen Wert entsprechend korrigiert wird, indem die Kraftstoffmasse zielgerichtet angepasst wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das bestimmte (insbesondere gemessene) Luft-Kraftstoffverhältnis nun dazu genutzt, eine erste (tatsächliche) Wandfilmkraftstoffmasse zu berechnen. Der Begriff „Wandfilmkraftstoffmasse“ bezeichnet eine in einem Wandfilm des Ansaugtrakts gespeicherte oder aus dem Wandfilm des Ansaugtrakts verdampfte Kraftstoffmasse. Dieser Wandfilm entsteht, indem ein Teil des Kraftstoffs, der in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors eingespritzt wird, nicht direkt in den/die Zylinder gelangt, sondern sich zunächst an den Wänden des Ansaugtrakts anlagert. Von dort verdampft der Kraftstoff abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors (Drehzahl, Temperatur, Druck im Ansaugtrakt) und gelangt zeitverzögert in den/die Zylinder. Diese Wandfilmkraftstoffmasse sollte zweckmäßigerweise bei jeder Einspritzung berücksichtigt werden, d.h. es sollte je nach Betriebspunkt entweder mehr oder weniger eingespritzt werden, als sich gemäß Gleichung (1) aus der Luftmasse ergäbe. Insbesondere kommt der Wandfilmeffekt bei Lastwechselvorgängen zum Tragen. Beispielsweise führt eine Lastreduktion durch Schließen der Drosselklappe zu einer Reduktion des Saugrohrdrucks, welche die Verdampfung der im Wandfilm gespeicherten Kraftstoffmasse fördert. Folglich gelangt in diesem Fall mehr Kraftstoff in den Zylinder, als in dem aktuellen Arbeitsspiel eingespritzt wurde. Da die Lambdaregelung zur Korrektur solcher Wandfilmeffekte zu langsam ist, können diese z.B. anhand eines Wandfilmmodells mittels einer dynamischen Vorsteuerung korrigiert werden.
Im Rahmen der Erfindung kann immer die aktuelle Wandfilmkraftstoffmasse berücksichtigt werden. Wird im System bereits eine Wandfilmkraftstoffmasse verwendet, z.B. eine mittels des Wandfilmmodells bestimmte Wandfilmkraftstoffmasse, die auch als zweite Wandfilmkraftstoffmasse bezeichnet wird, kann diese mit Hilfe des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses angepasst/korrigiert werden. Dazu wird zunächst das gemessene Luft-Kraftstoffverhältnisses zeitlich bzw. auf der Zeitskala angepasst, d.h. es wird eine Zeitverzögerung berücksichtigt, die dadurch entsteht, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis erst im Abgastrakt und nicht bereits im Zylinder des Verbrennungsmotors mit einem realen Messmittel, wie beispielsweise einer Lambdasonde, bestimmt wird. Unter Verwendung des gemessenen und zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnisses λ_corr kann die erste Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf,1 wie folgt bestimmt werden: ${\dot{m}}_{w f,1} = \frac{{\dot{m}}_{a i r}}{λ_{c o r r} \cdot L_{s t}} - {\dot{m}}_{d i r e c t}$
Dabei bezeichnet ṁ_direct den aktuell eingespritzten Kraftstoffmassenstrom.
Dies bedeutet, dass die aus dem gemessenen und zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnis λ_corr ermittelte Kraftstoffmasse (d.h. die tatsächlich verbrannte) mit der eingespritzten Kraftstoffmasse ṁ_direct verglichen und aus der Differenz der beiden Größen die erste Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf,1 bestimmt werden kann. Je nach Vorzeichen, das sich aus der Differenzbildung ergibt, kann es sich um eine Kraftstoffmasse, die zunächst im Wandfilm gespeichert wird (ṁ_wf,1 < 0), oder um eine Kraftstoffmasse, die aus dem Wandfilm verdampft (ṁ_wf,1 > 0), handeln.
Basierend auf der, beispielsweise anhand von Gleichung (2), berechneten ersten Wandfilmkraftstoffmasse wird die berechnete einzuspritzende Kraftstoffmasse angepasst. Mit anderen Worten kann beispielsweise eine für das nachfolgende Arbeitsspiel berechnete Kraftstoffmasse bzw. allgemein der zukünftige Kraftstoffstoffmassenstrom unter Verwendung der ersten Wandfilmkraftstoffmasse erhöht oder erniedrigt werden.
Da in modernen Motorsteuerungen eine Wandfilmkraftstoffmasse üblicherweise bereits bestimmt wird, beispielsweise mittels eines Wandfilmmodells, kann diese bestimmte zweite Wandfilmkraftstoffmasse für eine dynamische Vorsteuerung anhand der ersten Wandfilmkraftstoffmasse angepasst werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, die vorgesteuerte Wandfilmkraftstoffmasse basierend auf dem gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnis im laufenden Betrieb eines Fahrzeugs kontinuierlich anzupassen.
Bevorzugt wird die zeitliche Abweichung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses anhand eines Rechenmodells des Abgastrakts ermittelt. Dazu kann ein Teil des Abgastrakts des Verbrennungsmotors beispielsweise mittels eines Behältermodells rechnerisch abgebildet werden, welches das Speicherverhalten einer Abgasstrecke zwischen einem Auslassventil des Motors und einer Position, an der das Luft-Kraftstoffverhältnis gemessen wird, berücksichtigt. Bei letzterer handelt es sich bevorzugt um die Position eines Messmittels, z.B. einer Lambdasonde, im Abgastrakt. Außer dem Speicherverhalten der Abgasstrecke wird bevorzugt auch das Ansprechverhalten des Messmittels bei der Ermittlung der zeitlichen Abweichung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses berücksichtigt. Beide Modellparameter sind abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt des Motors (z.B. abhängig von der Motordrehzahl).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels des Abgastraktmodells die zeitliche Abweichung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses in eine durch den Abgastrakt verursachte Totzeit und eine durch das Bestimmen verursachte zeitliche Verzögerung (insbesondere ein LZI-Übertragungsverhalten) des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses aufgeteilt. Die Totzeit kann dabei der Verweildauer des Abgases in der Abgasstrecke, beispielsweise zwischen dem Auslassventil und der Lambdasonde, und die zeitliche Verzögerung dem Ansprechverhalten des Messmittels zugeordnet werden.
Bevorzugt wird die Totzeit mittels vorbestimmter Kenndaten und/oder die zeitliche Verzögerung mittels einer Filterübertragungsfunktion angepasst.
Bei den vorbestimmten Kenndaten, anhand derer die Totzeit kompensiert wird, kann es sich um Kennlinien und/oder Kennfelder handeln, die in einem Motorsteuergerät abgespeichert sein können. Beispielsweise kann die Totzeit anhand einer Kennlinie abhängig vom Abgasmassenstrom des Motors im Motorsteuergerät abgelegt sein. Diese kann beispielsweise auf einem Motorprüfstand ermittelt werden.
Um die zeitliche Verzögerung durch das Ansprechverhalten des Messmittels (z.B. PT1-Verhalten mit der Zeitkonstanten τ_exh) zu kompensieren, kann beispielsweise eine Filterübertragungsfunktion G(s) gemäß der folgenden Gleichung (3) verwendet werden, welche die Inverse des Verzögerungsverhaltens des Messmittels enthält. Um eine realisierbare Übertragungsfunktion G(s) zu erhalten (Nenner # 0), beinhaltet die Übertragungsfunktion zudem ein Verzögerungsglied mit der vorbestimmten Filterzeitkonstante τ_flt. $G (s) = \frac{τ_{e x h} \cdot s + 1}{τ_{f l t} \cdot s + 1}$
Bevorzugt wird eine zweite Wandfilmkraftstoffmasse mittels eines Wandfilmmodells bestimmt. Wie bereits oben ausgeführt, ist die konventionelle Lambdaregelung in der Motorsteuerung zu langsam, um Abweichungen des Luft-Kraftstoffverhältnisses aufgrund von Wandfilmeffekten auszugleichen. Daher werden diese vorzugsweise anhand eines Wandfilmmodells mittels einer dynamischen Vorsteuerung korrigiert, welche die einzuspritzende Kraftstoffmasse zyklussynchron anpasst, so dass das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis eingehalten werden kann. Unter dem Begriff „zyklussynchron“ soll verstanden werden, dass die zweite Wandfilmkraftstoffmasse für jeden Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors berechnet wird. Alternativ kann das Wandfilmmodell auch in konstanten Zeitabständen berechnet werden, beispielsweise in Abständen von 1 ms oder 5 ms.
Das Wandfilmmodell kann beispielsweise ein Kennfeld umfassen, in dem eine im Wandfilm befindliche Kraftstoffmasse z.B. abhängig von der Motordrehzahl und der Motortemperatur abgespeichert ist. Durch Bildung der zeitlichen Ableitung dieser Kraftstoffmasse mit einer Filterübertragungsfunktion, die eine weitere vorbestimmte Filterzeitzeitkonstante aufweist, kann der Kraftstoffmassenstrom aus dem Wandfilm ermittelt werden. Bei diesem Wandfilmkraftstoffmassenstrom unterscheidet man zwischen einem Anteil, der schnell in den Zylinder einströmt, sowie einem Anteil, der deutlich verzögert in den Zylinder einströmt. Dieser Sachverhalt kann mittels zweier parallelgeschalteter Filterübertragungsfunktionen mit einer langsamen und einer schnellen vorbestimmten Filterzeitkonstante abgebildet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Wandfilmkraftstoffmasse mittels eines Adaptionsfaktors an die erste Wandfilmkraftstoffmasse angepasst, um Abweichungen der modellierten zweiten Wandfilmkraftstoffmasse von der in einem individuellen Fahrzeug auftretenden realen Wandfilmkraftstoffmasse, insbesondere über der Lebensdauer des Fahrzeugs, auszugleichen.
Der Adaptionsfaktor f_corr,adp kann beispielsweise durch Division der ersten Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf,1 durch die zweite Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf,2flt gemäß Gleichung (4) ermittelt werden. $ƒ_{c o r r, a d p} = \frac{{\dot{m}}_{w f,1}}{{\dot{m}}_{w f,2 f l t}}$
Dabei bezeichnet ṁ_wf,2tlt eine zweite Wandfilmkraftstoffmasse, die mittels der vorbestimmten Filterzeitkonstante τ_flt, mit der ersten Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf,1 synchronisiert wurde.
Besonders bevorzugt wird jedoch zur Ermittlung des Adaptionsfaktors ein rekursiver Least-Squares-Schätzer (Methode der kleinsten Quadrate) verwendet. Mit diesem kann die numerische Stabilität der Berechnung weiter erhöht werden.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor umfasst einen Ansaugtrakt, mindestens einen Zylinder, einen Abgastrakt und die erfindungsgemäße Recheneinheit.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.
Die Erfindung ermöglicht es, eine Übergangsfunktion zur Anpassung der Kraftstoffmasse bei Lastwechseln im Betrieb eines Fahrzeugs anzupassen und nachzuführen. Während der Entwicklungsphase kann mit Hilfe des Verfahrens der Applikationsaufwand reduziert werden und im laufenden Betrieb eines Fahrzeugs sorgt die Erfindung dafür, dass das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis auch während Lastwechselvorgängen zuverlässig beibehalten wird und somit transiente Lambda-Abweichungen zuverlässig minimiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen Verbrennungsmotor, wie er einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zugrunde liegen kann,
2a und 2b zeigen schematisch ein Wandfilmmodell und ein Abgastraktmodell gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockschaltbild.

Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt schematisch und ausschnittsweise einen Verbrennungsmotor, wie er einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zugrunde liegen kann. Der dargestellte Verbrennungsmotor weist einen Ansaugtrakt 2, einen Zylinder 1 und einen Abgastrakt 9 auf. Im Zylinder 1 sind ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 7 angeordnet, die den Zylinder 1 zum Ansaugtrakt 2 und Abgastrakt 9 abschließen. Im Ansaugtrakt 2 sind eine Drosselklappe 6 und ein Einspritzventil 4 angeordnet. Das Einspritzventil 4 spritzt Kraftstoff vor das Einlassventil 5 ein. Ein Teil des eingespritzten Kraftstoffs gelangt bei Öffnen des Einlassventils zusammen mit dem über die Drosselklappe 6 fließenden Luftmassenstromdirekt in den Zylinder 1, während sich der andere Teil an den Wänden des Ansaugtrakts 2 ablagert.
Im Abgastrakt 9 des dargestellten Verbrennungsmotors ist eine Lambdasonde 8 angeordnet, die den Restsauerstoff im Abgas des Motors bestimmt, um das Luft-Kraftstoffverhältnis des verbrannten Gemischs zu bestimmen.
Des Weiteren umfasst der Verbrennungsmotor eine Recheneinheit 3, die beispielsweise das Motorsteuergerät sein kann, welche mit der Drosselklappe 6, dem Einspritzventil 4 und der Lambdasonde 8 verbunden ist. Die Recheneinheit 3 kann die Signale der Sensoren des Verbrennungsmotors (z.B. der Lambdasonde 8) empfangen und die Aktoren des Verbrennungsmotors (z.B. die Drosselklappe 6 und das Einspritzventil 4) steuern.
Die Recheneinheit 3 kann beispielsweise das Ausgangssignal der Lambdasonde 8 empfangen, basierend darauf die erste Wandfilmkraftstoffmasse berechnen und die mittels des Einspritzventils 4 einzuspritzende Kraftstoffmasse entsprechend anpassen.
Anhand von 1 wird deutlich, dass zwischen dem Auslassventil 7 und der Lambdasonde 8 ein Speichervolumen vorhanden ist, das zu einer verzögerten Messung des im Zylinder 1 vorhandenen Luft-Kraftstoffgemischs führt.
2a zeigt schematisch eine Modellvorstellung für das Wandfilmverhalten des in den Ansaugtrakt 2 eingespritzten Kraftstoffs (Wandfilmmodell). Gemäß dieser Modellvorstellung teilt sich der eingespritzte Kraftstoffmassenstrom ṁ_inj in einen Anteil ṁ_direct, der in dem aktuellen Arbeitsspiel des Motors direkt in den Zylinder 1 gelangt, und einen Anteil ṁ_indirect der in einem Wandfilm 10 zwischengespeichert wird und zeitverzögert als Wandfilmkraftstoffmasse ṁ_wf in den Zylinder 1 gelangt. Basierend auf den Kraftstoffeigenschaften (schneller und langsamer siedende Anteile) wird zwischen einem Anteil ṁ_wf,fαst, der schneller aus dem Wandfilm 10 verdampft und damit früher in den Zylinder 1 gelangt, und einem Anteil ṁ_wf,slow, der langsamer verdampft und später in den Zylinder 1 gelangt, unterschieden. Der aus dem Wandfilm 10 verdampfende bzw. im Wandfilm gespeicherte Kraftstoffmassenstrom ṁ_wf wird zu dem Kraftstoffmassenstrom ṁ_direct addiert, woraus sich der in den Zylinder 1 gelangende Gesamtmassenstrom ṁ_fuel ergibt. Je nach Betriebspunkt wird mehr oder weniger Kraftstoff aus dem Wandfilm 10 verdampft bzw. im Wandfilm gespeichert. Durch die Berücksichtigung des Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf im Motorsteuergerät wird der eingespritzte Kraftstoffmassenstrom ṁ_inj entsprechend korrigiert, und es gelangt der Kraftstoffmassenstrom ṁ_fuel in den Zylinder 1, der zu einem gewünschten Luft-Kraftstoffverhältnis führt.
Das Wandfilmmodell wird herkömmlicherweise während der Applikation der Motorsteuerung an eine begrenzte Anzahl Fahrzeuge angepasst. Um die Wandfilmeffekte über der Lebensdauer eines Fahrzeugs und an verschiedenen Fahrzeugen korrekt zu berücksichtigen, umfasst die hier beschriebene vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung eine Adaption des mittels des Wandfilmmodells berechneten Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,2 , die nachfolgend im Zusammenhang mit 3 beschrieben wird.
Die Adaption zieht ein gemessenes Luft-Kraftstoffverhältnis λ_sens heran, um die real in den Zylinder gelangte Kraftstoffmasse zu bestimmen. Da das gemessene Signal der Lambdasonde λ_sens das Luft-Kraftstoffverhältnis λ im Zylinder zeitverzögert wiedergibt, muss diese Zeitverzögerung im Rahmen der Adaption berücksichtigt werden.
2b zeigt schematisch ein Abgastraktmodell, in dem die Strecke zwischen dem Auslassventil 7 und der Lambdasonde 8 als Behälter modelliert ist, um das Speicherverhalten des Abgastrakts 2 abzubilden. Das an der Lambdasonde 8 gemessene Luft-Kraftstoffverhältnis λ_sens weist gegenüber dem am Auslassventil vorliegenden Luft-Kraftstoffgemisch 2 eine Totzeit τ_del und eine zeitliche Verzögerung auf, die mittels einer Verzögerungsfunktion mit der Zeitkonstanten τ_exh beschrieben wird. Die Totzeit τ_del kann beispielsweise anhand einer Kennlinie abhängig vom Abgasmassenstrom des Motors abgebildet werden, die z.B. auf einem Motorprüfstand ermittelt werden kann. Beide Modellparameter τ_del und τ_exh sind vom Betriebspunkt des Motors abhängig (z.B. von der Motordrehzahl).
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Blockschaltbild. Dabei beschreiben die Funktionsblöcke 21 und 22 die Regelstrecke, nämlich die Bildung und das Verzögerungsverhalten des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses λ_sens, und die (gestrichelt eingefassten) Funktionsblöcke 10 bis 16 sowie 23 und 30 die Vorsteuerung und Adaption des Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,2.
In dem Funktionsblock 21 wird das im Zylinder 1 vorherrschende Luft-Kraftstoffverhältnis 2 basierend auf den Eingangsgrößen Luftmassenstrom ṁ_air, Kraftstoffmassenstrom ṁ_fuel und stöchiometrischer Luftbedarf L_st berechnet. Der in den Zylinder 1 gelangende Kraftstoffmassenstrom ṁ_tuel setzt sich dabei aus dem Kraftstoffmassenstrom ṁ_direct' der aus der aktuellen Einspritzung in den Zylinder gelangt, und dem Wandfilmkraftstoffmassenstrom ṁ_wf,2 zusammen.
Das Verzögerungsverhalten des Luftkraftstoffverhältnisses λ → λ_sens wird hier mittels eines PT1-Glieds mit der Zeitkonstanten τ_exh in dem Funktionsblock 22 abgebildet. Da die Totzeit gesondert (über eine einfache Verschiebung der Werte auf der Zeitskala) berücksichtigt wird und nicht in die Übertragungsfunktion 23 für das Adaptionsmodell 30 eingeht, ist sie in dem vorliegenden Blockschaltbild nicht dargestellt.
In den Funktionsblöcken 10 bis 14 ist das Wandfilmmodell zur dynamischen Vorsteuerung des Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,1 abgebildet. Die Kraftstoffmasse, die sich im Wandfilm 10 befindet, ist vorzugsweise in einem entsprechenden Kennfeld 10 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n_eng und der Motortemperatur t_mot im Motorsteuergerät gespeichert. Die Eingangsgrößen des Kennfelds 10 sind nicht auf die gezeigten Größen beschränkt, es können zusätzliche oder andere Randbedingungen, wie beispielsweise Druck und/oder Temperatur im Ansaugtrakt 2 des Motors berücksichtigt werden.
Der Funktionsblock 11 beschreibt eine Filterübertragungsfunktion mit einer Filterzeitzeitkonstanten z_wf, welche mittels der zeitlichen Ableitung der Wandfilmkraftstoffmasse den Wandfilmkraftstoffmassenstrom berechnet. Der so berechnete Wandfilmkraftstoffmassenstrom wird nachfolgend in einen Anteil, der schnell in den Zylinder einströmt, und einen Anteil, der deutlich verzögert in den Zylinder einströmt, aufgeteilt. Dies wird über zwei parallelgeschaltete Funktionsblöcke 12 und 13 realisiert, die Filterübertragungsfunktionen mit einer langsamen Zeitkonstante τ_slow und einer schnellen Zeitkonstante τ_fast aufweisen.
Da es neben der oben beschriebenen Abhängigkeit des Wandfilmverhaltens von der Motordrehzahl und der Motortemperatur beim Kraftstoffmassenstrom noch weitere Abhängigkeiten geben kann (z.B. eine Richtungsabhängigkeit des in den Wandfilm eintretenden bzw. aus dem Wandfilm austretenden Massenstroms), wird der aus den Funktionsblöcken 12 und 13 resultierende Kraftstoffmassenstrom hier vorteilhaft mittels eines Multiplikators 14 nochmals mit einem Korrekturfaktor f_corr multipliziert.
Dieser Block 10 bis 14 ist üblicherweise nicht individuell für den konkreten Motor parametriert, so dass der bestimmte zweite Wandfilmkraftstoffmassenstrom ṁ_wf,2 nicht (immer) optimal ist.
Daher wird nun vorteilhaft der bestimmte zweite Wandfilmkraftstoffmassenstrom ṁ_wf,2 nachfolgend mit dem Adaptionsfaktor f_corr,adp multipliziert, der in dem Funktionsblock 30 u.a. aus dem gemessenen und zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnis λ_corr ermittelt wird. Aus dieser Multiplikation an dem Multiplikator 15 folgt der erste (positive oder negative) Wandfilmkraftstoffmassenstrom ṁ_wf,1, der an dem Additionspunkt 20 zu dem Kraftstoffmassenstrom ṁ_direct addiert wird.
In dem Funktionsblock 30 erfolgt die Berechnung des Adaptionsfaktors f_corr,adp u.a. unter Verwendung ebenfalls des ersten Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,1, der jedoch anders als in 15 berechnet wird. Der erste Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,1 kann beispielsweise gemäß Gleichung (2) und der Adaptionsfaktors f_corr,adp daraus beispielsweise gemäß Gleichung (4) berechnet werden. Der Adaptionsfaktor f_corr,adp kann vorzugsweise auch mit einem rekursiver Least-Squares-Schätzer bestimmt werden, wodurch sich die numerische Stabilität der Berechnung erhöht.
Um die Berechnungsschritte gemäß der Gleichungen (2) und (4) ausführen zu können, erhält der Funktionsblock 30 das gemessene und zeitlich angepasste Luftverhältnis λ_corr, den Luftmassenstrom ṁ_air, den Kraftstoffmassenstrom ṁ_direct und den aus dem Wandfilmmodell ermittelten, gefilterten Wandfilmmassenstrom ṁ_wf,2tlt als Eingangsgrößen.
Zur zeitlichen Anpassung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses λ_sens an das im Zylinder vorliegende Luftverhältnis 2 wird die in Funktionsblock 23 dargestellte und in Gleichung (3) beschriebene Filterübertragungsfunktion verwendet. Diese erzeugt das zeitlich angepasste Luftverhältnis λ_corr, welches im Funktionsblock 30 zur Berechnung des ersten Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,1 gemäß Gleichung (2) verwendet wird.
Aus einem Vergleich der Funktionsblöcke 22 und 23 wird deutlich, dass die in Funktionsblock 23 dargestellte Filterübertragungsfunktion das Inverse der in Funktionsblock 22 dargestellten zeitlichen Verzögerung des gemessenen Luft-Kraftstoffverhältnisses λ_sens enthält. Zusätzlich weist die Übertragungsfunktion 23 im Nenner eine weitere Filterfunktion mit der vorbestimmten Zeitkonstanten τ_flt auf.
Die Zeitkonstante τ_flt wird in gleicher Weise zur Filterung des ersten Wandfilmkraftstoffmassenstroms ṁ_wf,2 in dem Funktionsblock 16 verwendet, so dass die Eingangsgrößen ṁ_wf,2flt und λ_corr zeitsynchron in den Funktionsblock 30 eingehen, der als Ausgangsgröße den Adaptionsfaktor f_corr,adp aufweist.
Mit Hilfe des in dem Funktionsblock 30 beispielsweise anhand der Gleichungen (2) und (4) berechneten Adaptionsfaktors kann der Wandfilmkraftstoffmassenstrom im Fahrzeugbetrieb kontinuierlich an die realen Motorbedingungen angepasst werden. Damit kann das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis auch während Lastwechselvorgängen zuverlässig beibehalten werden, und somit können transiente Gemischabweichungen zuverlässig minimiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007005381 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Anpassen einer in einen Verbrennungsmotor einzuspritzenden Kraftstoffmasse, wobei der Verbrennungsmotor einen Ansaugtrakt (2), mindestens einen Zylinder (1) und einen Abgastrakt (9) umfasst, das Verfahren umfassend die Schritte: - Ermitteln einer in den mindestens einen Zylinder (1) des Verbrennungsmotors eingebrachten Luftmasse (ṁ_air); - Bestimmen einer in den mindestens einen Zylinder (1) des Verbrennungsmotors einzuspritzenden Kraftstoffmasse (ṁ_direct); - Bestimmen eines Luft-Kraftstoffverhältnisses (λ_sens) im Abgastrakt (9) des Verbrennungsmotors; - zeitliches Anpassen des bestimmten Luft-Kraftstoffverhältnisses zum Erhalten eines zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnisses (λ_corr); - Bestimmen einer ersten Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,1) anhand des zeitlich angepassten Luft-Kraftstoffverhältnisses (λ_corr), der ermittelten eingebrachten Luftmasse (ṁ_air) und der bestimmten einzubringenden Kraftstoffmasse (ṁ_direct); und - Anpassen der einzuspritzenden Kraftstoffmasse (ṁ_fuel) basierend auf der berechneten ersten Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitliche Anpassung des bestimmten Luft-Kraftstoffverhältnisses (λ_sens) anhand eines Modells des Abgastrakts (9) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zeitliche Anpassung des bestimmten Luft-Kraftstoffverhältnisses (λ_sens) eine durch den Abgastrakt (9) verursachte Totzeit und eine durch das Bestimmen verursachte zeitliche Verzögerung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Totzeit mittels vorbestimmter Kenndaten und/oder die zeitliche Verzögerung mittels einer Filterübertragungsfunktion angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Anpassen der einzuspritzenden Kraftstoffmasse basierend auf der berechneten ersten Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,1) ein Bestimmen eines Adaptionsfaktors (f_corr,adp) aus der ersten Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,1) und einer zweiten Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Wandfilmkraftstoffmasse (ṁ_wf,2) aus einem Wandfilmmodell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Ermittlung des Adaptionsfaktors ein Least-Squares-Schätzer verwendet wird.
Recheneinheit (3), die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Verbrennungsmotor umfassend einen Ansaugtrakt (2), mindestens einen Zylinder (1), einen Abgastrakt (9) und die Recheneinheit (3) gemäß Anspruch 8.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.