DE10215672A1

DE10215672A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine und Steuerelement

Info

Publication number: DE10215672A1
Application number: DE10215672A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wild
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-30
Also published as: EP1353055A2; EP1353055A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine sowie ein Steuerelement für ein Steuergerät einer solchen Brennkraftmaschine. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, unter Verwendung weniger Sensoren die Zylinderfüllung zu ermitteln. Dabei werden beide Einflussfaktoren, Drosselklappenstellung und Ventilhub, des Einlassventils berücksichtigt. Das Verfahren ist geeignet, die Zahl der erforderlichen Sensoren für die Brennkraftmaschine und damit ihre Gesamtkosten gering zu halten. Andererseits führt das Verfahren, wenn eine größere Anzahl von Sensoren vorhanden ist, auch dazu, dass eine Redundanz geschaffen werden kann, falls Sensoren ausfallen. Die Verwendung eines Luftmassensensors ist bei dem Verfahren nicht zwingend.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine sowie ein Steuerelement für ein Steuergerät einer solchen Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, weisen ein Ansaugrohr mit einer zugeordneten Drosselklappe zur Steuerung der Luftströmung im Ansaugrohr auf. Es ist wenigstens ein Brennraum vorgesehen, wobei jeder Brennraum wenigstens ein Einlassventil aufweist.
Aus der DE 197 40 970 A1 ist es bekannt, mit einer geringen Anzahl von Sensoren, den Luftmassenstrom über eine Drosselklappe zu ermitteln um hieraus auf die einer Brennkammer zugeführte Luftmenge zu schließen.
Daneben ist es auch bekannt, bei Brennkraftmaschinen Einlassventile mit variabler Ventilhubsteuerung zu verwenden. Mittels der Veränderung des Ventilhubes wird die in die Brennkammer einströmende Luftmenge verändert.
Bei Fahrzeugen mit variabler Ventilhubsteuerung ist es also nicht mehr ausreichend, den Massenstrom über die Drosselklappe zu ermitteln, um ein Maß für die Zylinderfüllung, also den Füllungsgrad des Brennraumes mit Luft, zu haben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, in möglichst einfacher Weise einen Wert für die Zylinderfüllung bei Fahrzeugen mit einer Ventilhubsteuerung zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bzw. bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zylinderfüllung in Abhängigkeit von dem Luftmassenstrom über die Drosselklappe, der selbst wiederum von der Drosselklappenstellung - also den Drosselklappenwinkel - abhängig ist, der Lufttemperatur vor der Drosselklappe, der Motordrehzahl und dem Einlassventilhub ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, unter Verwendung weniger Sensoren die Zylinderfüllung zu ermitteln. Dabei werden beide Einflussfaktoren, Drosselklappenstellung und Ventilhub des Einlassventils berücksichtigt. Das Verfahren ist geeignet, die Zahl der erforderlichen Sensoren für die Brennkraftmaschine und damit ihre Gesamtkosten gering zu halten. Andererseits führt das Verfahren, wenn eine größere Anzahl von Sensoren vorhanden ist auch dazu, dass eine Redundanz geschaffen werden kann, falls Sensoren ausfallen. Die Verwendung eines Luftmassensensors ist bei dem Verfahren nicht zwingend.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Luftmassenstrom über die Drosselklappe unter Verwendung eines vorgegebenen Normmassenstromes oder aber unter Messung des Druckes vor der Drosselklappe ermittelt wird. Es ist weiterhin günstig, wenn der Luftmassenstrom über die Drosselklappe je Zylinderhub der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Diese Vorgehensweisen der Ermittlung des Luftmassenstromes oder alternativ des Druckes vor Drosselklappe ermöglichen eine technisch günstige Ermittlung und Weiterverarbeitung dieser Zwischengröße.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Zylinderfüllung über das Einlassventil aus einer in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Anlassventilhub vorgegebenen Normzylinderfüllung ermittelt wird. Die Ermittlung anhand der Normzylinderfüllung hat den Vorteil, dass die Berechnung der Zylinderfüllung unabhängig von der Berechnung des Luftmassenstromes über die Drosselklappe ist. Dabei ist die Normzylinderfüllung in Abhängigkeit von dem variablen Ventilhub vorgegeben. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zylinderfüllung je Zylinderhub ermittelt wird.
Soweit ein Luftmassensensor vorhanden ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ermittlung des Luftmassenstromes über die Drosselklappe anhand eines Normmassenstromes ein Faktor für den Saugrohrdruck verwendet werden, der derart bestimmt wird, dass der aufgrund dieses Faktors ermittelte Luftmassenstrom dem gemessenen Luftmassenstrom entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Saugrohrdruck vor dem Einlassventil so bestimmt wird, dass der Luftmassenstrom über die Drosselklappe mit der Zylinderfüllung übereinstimmt. Es wird also das Vorliegen eines stationären Zustandes unterstellt. Die Zylinderfüllung ist ein Volumenstrom von Luft durch das wenigstens eine Einlassventil. Durch diese Maßnahme wird die Bestimmung des Luftmassenstromes über die Drosselklappe mit der Bestimmung der Füllung des Zylinders in Übereinstimmung gebracht. Diese Kopplung erlaubt es, die Bestimmung der Zylinderfüllung ohne Messung des Druckes vor dem Einlaßventil durchzuführen. Zur Rückführung des Signals kann vorgesehen sein, dass die Differenz aus dem Luftmassenstrom über die Drosselklappe und der Zylinderfüllung, also dem Gasvolumen, das in den Zylinder einströmt, einem Integrator zugeführt wird. Über den Integrator kann dann der Druckfaktor bestimmt werden, der bei der Ermittlung der Zylinderfüllung berücksichtigt werden muß.
Ein Steuerelement, das insbesondere als "Read only Memory" ausgestaltet und in einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann, ist gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung zur Aufnahme eines Programms geeignet, das auf einen Mikroprozessor ablauffähig ist und zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens führt.
Gemäß der Erfindung weist eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine für ein Kraftfahrzeug, ein Ansaugrohr auf. Dem Ansaugrohr ist eine Drosselklappe zugeordnet. Ferner ist wenigstens ein Einlassventil mit variabler Ventilhubsteuerung für jeden Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen. Über Drosselklappe und Einlassventil gelangt Luft in den Brennraum. Der Drosselklappe ist ein Winkelsensor zugeordnet. Von einem Steuergerät kann aus der Winkelstellung der Drosselklappe, die vom Winkelsensor gemessen wurde, ein Normmassenstrom über die Drosselklappe ermittelt werden. Aus dem Normmassenstrom ist der Massenstrom über die Drosselklappe ermittelbar. Daneben ist aus dem Ventilhub des Einlassventils eine Normzylinderfüllung und hieraus wiederum eine Zylinderfüllung ableitbar. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn es bei der Ermittlung der Zylinderfüllung berücksichtigbar ist, dass der Luftmassenstrom über die Drosselklappe und die Zylinderfüllung (in stationärem Zustand) einander entsprechen.
Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Im übrigen ist die Erfindung auch anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Luftmassensensor zur Ermittlung der Zylinderfüllung bei einer variablen Ventilhubsteuerung;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild der Ermittlung der Zylinderfüllung bei variabler Ventilhubsteuerung mit Verwendung eines Drucksensors und unter Modellierung des Saugrohrdruckes;
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Brennkammer einer Brennkraftmaschine und das zugeordnete Ansaugrohr mit Drosselklappe bei Luftmassenstrommessung; und
Fig. 4 die Anordnung der Fig. 3, wobei die Luftmassenstrommessung durch eine Druckmessung mittels einer Drosselklappe ersetzt wurde.
Bei einem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst der über die Drosselklappe fließende Luftmassenstrom MSDK nach der Gleichung:

MSDK = MSNDK(WDK) × FPVDK × FTVDK × KLAF(PS/PVDK)

ermittelt. Der unter Normbedingungen als Funktion des Drosselklappenwinkels WDK ermittelte Normluftmassenstrom MSNDK wird mit den Korrekturfaktoren für Druckvordrosselklappe FPVDK = PS/1013 [hPa], für die Temperatur vor der Drosselklappe FTVDK = √(273Kelvin/TVDK) und dem Faktor KLAF für die Strömungsgeschwindigkeit abhängig vom Druckverhältnis aus Saugrohrdruck und Druck vor der Drosselklappe multipliziert, um den bei aktuellen Bedingungen auftretenden Luftmassenstrom MSDK über die Drosselklappe zu erhalten. Die Art der Ermittlung der einzelnen Faktoren aufgrund der Messsignale und die erforderlichen Sensoren ist in der DE 197 40 970 A1 beschrieben, worauf insoweit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den Ablauf des vorgenommenen Verfahrens. In Abhängigkeit des Sensorsignals des Winkelsensors für den Drosselklappenwinkel WDK wird der Normmassenstrom MSNDK dem Kennfeld 11 entnommen. In dem Multiplikator 12 wird dieses Signal mit dem Korrekturfaktor FPVDK für den Druck vor der Drosselklappe multipliziert. Anschließend wird in dem Multiplikator 13 das Ergebnis noch mit dem Korrekturfaktor für die Temperatur vor der Drosselklappe FTVDK und in dem weiteren Multiplikator 14 mit dem Korrekturwert KLAF, der aus der Kennwerttabelle 15 entnommen wird, durchgeführt. Man erhält damit den Luftmassenstrom MSDK über die Drosselklappe, wie er berechnet wurde. Dieser Wert kann mit einem gemessenen Luftmassenstrom MSHFM im Komparator 16 verglichen werden, so dass daraus eine Kennlinie für die Generierung des Korrekturfaktors FPVDK für den Druck vor der Drosselklappe gewonnen werden kann, der dem Multiplikator 12 zugeführt wird. Hierdurch wird eine geschlossene Regelschleife gebildet, die lediglich in die Ermittlung des Luftmassenstromes über die Drosselklappe involviert ist.
Das Ergebnis des Luftmassenstromes MSDK wird darüber hinaus auch noch dem Divisor 17 zugeführt, der den Wert für den über die Drosselklappe fließenden Luftmassenstrom MSDK durch das Produkt der Motordrehzahl n mit einer Konstanten K dividiert und somit eine auf den einzelnen Hub bezogenen Luftmengenzufluß ins Saugrohr ermittelt. Dabei wird die Größe in der Einheit relative Füllung im Brennraum pro Hub ermittelt. Dabei repräsentiert die Konstante K die Zylinderzahl in Abhängigkeit von der Zahl der Arbeitstakte pro Zylinder. Das Ergebnis dieser Division wird dann dem Vergleicher 18 zugeführt.
Zunächst einmal durch unabhängige Berechnung wird der Luftmassenstrom über das Einlassventil in entsprechend modellierter Weise berechnet. Der Luftmassenstrom MSVTT über das Einlassventil kann aus einem unter Normbedingungen in Funktion des Einlassventilhubes HVTT und der Motordrehzahl n vorgegebenen Normluftmassenstrom MSNVTT ermittelt werden. Hierzu ist das Kennfeld 19 bestimmt, dem die beiden Werte für den Einlaßventilhub HVTT sowie die Motordrehzahl n zugeführt werden. Das Ergebnis der Auslesung aus der Kennwerttabelle 19 liefert die Zylinderfüllung unter Normbedingungen. Die Zylinderfüllung ist dabei der Luftmassenstrom über das Einlaßventil. Der der Kennwerttabelle 19 ausgelesene Wert für die Zylinderfüllung unter Normbedingungen MSNVTT wird dem Multiplikator 20 zugeführt. Dort wird der Wert MSNVTT mit einem Korrekturwert für den Druck vor dem Einlaßventil FPS multipliziert und dann dem weiteren Multiplikator 21 zugeführt, in dem das Ergebnis mit dem Korrekturwert für die Temperatur vor dem Einlassventil FTVDK multipliziert wird. Das Ergebnis

MSVTT = MSNVTT(HVTT, n) × FPS × FTVDK

ergibt die Zylinderfüllung unter den auftretenden Bedingungen.
Das Ergebnis der Berechnung, nämlich den Luftmassenstrom über das Einlaßventil und damit die Zylinderfüllung wird nun durch Division mit dem Produkt aus Drehzahl n und Konstante K dividiert, um das gleiche Ergebnis, nämlich Zylinderfüllung (Luftmassenstrom über das Einlaßventil) pro Hub zu ermitteln. Dieses Ergebnis wird dann ebenfalls dem Komparator 18 zugeführt.
Damit die beiden Modellierungen miteinander verknüpft sind, wird der Saugrohrdruck modelliert. Das Saugrohr stellt zunächst einmal einen Druckspeicher dar, dessen Druck steigt, wenn der Zufluß in Saugrohr über die Drosselklappe den Abfluß aus dem Saugrohr über das Einlassventil übersteigt. Mit steigendem Saugrohrdruck erhöht sich der Durchfluß über das Einlassventil. Es stellt sich, gemäß dieser Annahme des Modells, insgesamt ein stationärer Zustand ein, bei dem die beiden Massenströme einander entsprechen. Daher wird der Integrator 23 mit der Differenz der beiden Massenströme MSVTT bzw. MSDK bzw. das auf jeden einzelnen Kolbenhub bezogene Ergebnis dieser Werte gespeist, der im Komperator 18 ermittelt wird. Das Ergebnis dieses Integrators liefert den Druckfaktor FPS, der dem Multiplikator 20 zugeführt wird. Dabei ist es unerheblich, ob die Differenz der Massenströme direkt auf den Integrator gegeben wird oder vorher beide Massenströme durch das Produkt aus Drehzahl n und der Konstanten K dividiert werden. Je nach dem welches der beiden Methoden verwendet wird, ist das Ergebnis ein Luftmassenstrom (Luftmenge/Zeiteinheit) oder aber eine pro Hub zu- bzw. abgeflossene Luftmasse im Saugrohr.
Wird anstelle eines Luftmassenstrommessers (HFM) in dem Saugrohr ein Umgebungsdrucksensor verwendet, so kann die Modellierung des Drucks vor der Drosselklappe einfallen. Stattdessen gilt, dass der Korrekturfaktor für den Druck vor der Drosselklappe FPVDK = (PU - DP_Luftfllter)/1013 hPa ist, wobei DP der Wert für den Druckabfall am Luftfilter ist. Der Wert für den Druckabfall am Luftfilter wiederum ergibt sich aus dem Druckspeicherverhalten 25 des Saugrohres und einer Verknüpfung mit dem Druckfaktor FPS.
In der Fig. 2 ist das entsprechende schematische Blockdiagramm für das Verfahren bei Vorhandensein eines Drucksensors dargestellt. Der Korrekturfaktor bzw. der Druck vor dem Einlassventil FPS ergibt sich dann aus dem Differenzglied 16, dem einerseits der Luftmassenstrom MSDK über die Drosselklappe und andererseits der Luftmässenstrom MSVTT über das Einlaßventil zugeführt wird. Daraus wird in einem Integrator dann ein Differenzwert bestimmt, der zurückgeführt wird, einerseits um als Korrekturfaktor für den Luftstrom am Einlassventil, also die Zylinderfüllung verwendet zu werden und andererseits um zur Ermittlung des Luftmassenstromkorrekturfaktors KLAF verwendet zu werden. Ansonsten entsprechen die Funktionsglieder der Fig. 1 und 2 einander und weisen daher auch jeweils gleiche Bezugszeichen auf. Nachdem die Druckwerte direkter miteinander verknüpft sind können manche Rechenschritte entfallen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein schematisches Modell eines Zylinders 30 mit dem darin geführten Kolben 31 sowie dem Einlaßventil 32. Über das Einlaßventil mit dem Ventilhub HVTT ergibt sich die Zylinderfüllung. Im Saugrohr 33 herrscht der Saugrohrdruck PS, hinter der Drosselklappe 34. Die Winkelstellung der Drosselklappe 34 wird von einem Sensor erfasst und liefert den Wert für die Drosselklappenstellung WDK. Vor der Drosselklappe herrscht der Druck PVDK. Über ein Luftmassensensor HFM kann der Luftmassenstrom MSHFM gemessen werden. Die Temperatur vor der Ansaugluft ist mit TVDK bezeichnet. Die Fig. 4 zeigt die gleiche schematische Darstellung der Brennkraftmaschine. Hierbei ist der Luftmassenstromsensor HFM durch einen Drucksensor für die vor der Drosselklappe ersetzt, der den Druck PVDK als Signal liefert. Die Temperatur vor der Drosselklappe TVDK ist über einen Sensor erfassbar.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei dem Luft über ein einem Ansaugrohr zugeordnete Drosselklappe und über wenigstens ein Einlassventil mit variabler Ventilhubsteuerung zur Beeinflussung des Ventilhubes einem Brennraum zugeführt wird, wobei die Zylinderfüllung mit Luft ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderfüllung aufgrund der Größen Luftmassenstrom (MSHFM) über der Drosselklappe (34) in Abhängigkeit der Drosselklappenstellung (WDK), der Lufttemperatur (TVDK) vor der Drosselklappe, Motordrehzahl (n) und Einlassventilhub (HVTT) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftmassenstrom (MSHFM) über die Drosselklappe (34) unter Verwendung eines in Abhängigkeit des Drosselklappenwinkels (WDK) vorgegebenen Normmassenstromes (MSNDK) ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftmassenstrom (MSHFM) über die Drosselklappe (34) ins Saugrohr je Zylinderhub der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Luftmassenstromes (MSHFM) der Umgebungsdruck (PVDK) vor der Drosselklappe (34) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderfüllung über das Einlassventil (32) aus einer in Abhängigkeit von Motordrehzahl (n) und Einlassventilhub (HVTT) vorgegebenen Normzylinderfüllung ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Zylinderfüllung die Normzylinderfüllung mit Korrekturfaktoren (FPVDK bzw. FTVDK) multipliziert wird, die den Saugrohrdruck und die Temperatur vor dem Einlassventil repräsentieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderfüllung je Zylinderhub ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Massenstroms (MSDK) über die Drosselklappe (34) ein Faktor für den Saugrohrdruck (FPVDK) verwendet wird, wobei der Faktor für den Saugrohrdruck derart bestimmt wird, dass der aufgrund des Faktors ermittelte Luftmassenstrom (MSDK) mit einem gemessenen Luftmassenstrom (MSH FM) übereinstimmt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugrohrdruck vor dem Einlassventil (32) so bestimmt wird, dass der Luftmassenstrom (MSDK) die Drosselklappe (34) der Zylinderfüllung übereinstimmt.

10. Steuerelement, insbesondere Read-Only-Memory, für ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf dem ein Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät, insbesondere einem Mikroprozessor ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.

11. Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer in einem Ansaugrohr angeordneten Drosselklappe (34) und wenigstens einem Einlassventil (32) mit variabler Ventilhubsteuerung für jeden Brennraum, über die Luft dem Brennraum zuführbar ist, und mit einem Steuergerät, mit dem der Massenstrom (MSDK) über die Drosselklappe und die Zylinderfüllung ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselklappe (34) ein Winkelsensor zugeordnet ist, dass von dem Steuergerät aus der von dem Winkelsensor gemessenen Winkelstellung (WDK) der Drosselklappe (34) ein Normmassenstrom (MSNDK) über die Drosselklappe ermittelbar ist, und aus dem Normmassenstrom (MSNDK) der Massenstrom (MSDK) über die Drosselklappe (34) ermittelbar ist, dass aufgrund des Einlassventilhubes (HVTT) zuerst eine Normzylinderfüllung und daraus in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter der Brennkraftmaschine eine Zylinderfüllung ermittelbar ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Zylinderfüllung berücksichtigbar ist, dass Luftmassenstrom (MSDK) über die Drosselklappe (34) und Zylinderfüllung einander entsprechen.