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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, insbesondere auf
ein Verfahren zur Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung.
Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Steuerung
eines Verbrennungsmotors, insbesondere zur Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung.
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Die Anforderungen an Verbrennungsmotoren
sind in den letzten Jahren bezüglich
Literleistung, Verbrauch und Emissionen kontinuierlich gestiegen. So
verfügen
die meisten Kraftfahrzeuge über
ein Motorsteuergerät,
welches diverse Steuerungen, Regelungen und Automatisierungseinheiten
ansteuert. Dabei nimmt die Einstellung des richtigen Gemisches einen
hohen Stellenwert ein, um eine ideale Verbrennung zu gewährleisten,
den Verbrauch zu reduzieren und Abgasvorschriften zu erfüllen. Zur
geregelten Gemischbildung gehört
bspw. das elektronische Gaspedal, das in vielen modernen Fahrzeugen
den die Drosselklappe ansteuernden mechanischen Gasbowdenzug ersetzt
hat. Drosselklappen werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die
zur Verbrennung notwendige Luftzufuhr zu regeln. Sie sind im Ansaugkanal
vor dem Verbrennungsmotor angeordnet. Am Gaspedal befindet sich
ein Potentiometer, welches einen Spannungswert an die Motorsteuerung
liefert. Der dort implementierte Lageregler gibt ein Spannungssignal
an den Stellmotor der Drosselklappe, damit sich die gewünschte Öffnungsposition
einstellen kann. Der Winkel der Drosselklappe kann somit neben der
gewünschten
Beschleunigung des Fahrers, auch in Abhängigkeit einer Vielzahl weiterer
motorspezifischer Messdaten und Motorparameter eingestellt werden.
Zur Verbesserung des Emissionsverhaltens und zur Verringerung von
Verschleiß werden
häufig
Ladungsbewegungsklappen eingesetzt. Ladungsbewegungsklappen sind
bspw. als mechanische Klappen oder Schieber ausgebildete Vorrichtungen,
die jeweils in einem Einlasskanal kurz vor dem zugehörigen Zylinder
angeordnet sind. Mittels dieser Ladungsbewegungsklappen kann die
Verwirbelung des Kraftstoff-Luft Gemisches im Brennraum und damit
die Art der Verbrennung gezielt beeinflusst werden. Bspw. kann im
Teillastbereich oder Volllastbetrieb durch gezieltes Öffnen bzw.
Schließen
der Ladungsbewegungsklappe der Querschnitt des Ladungsbewegungskanals
bzw. Einlasskanals verändert
und somit die Strömung
der Verbrennungsluft im Brennraum optimiert werden. Dadurch erreicht
man für
die Brennkraftmaschine eine bessere Verbrennung und eine geringere
Emission.
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Für
den störungsfreien
und sicheren Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Ladungsbewegungsklappen,
die als Drall- oder Tumbleklappen ausgeführt sein können, ist eine Rückmeldung,
ob die Ladungsbewegungsklappen geöffnet oder geschlossen sind,
erforderlich. Bisher werden bei Motoren mit solchen Ladungsbewegungsklappen
Potentiometer oder Schalter als Positionssensoren verwendet, um die
Ladungsbewegungsklappenstellung zu erkennen und daraufhin die entsprechenden
Parameter der Motorsteuerung zuzuführen. Die Information über die Ladungsbewegungsklappenstellung
ist deshalb sehr wichtig, da Grundparameter der Motorsteuerung,
wie bspw. Zündung,
Einspritzung oder Abgasrückführung, von
der Stellung der Ladungsbewegungsklappen abhängig sind. Fehler bei der Detektion
der Stellung der Ladungsbewegungsklappe führen i.d.R. zu Fahrbarkeitsproblemen
oder Motorschäden.
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In der
EP
1247965 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
beschrieben, bei dem eine Ladungsbewegungsklappe über Stellmotoren
angetrieben wird und Stellungssensoren vorgesehen sind, die die
Stellung der Ladungsbewegungsklappe erfassen und zu einer Steuer-
und Regeleinrichtung übertragen.
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Nachteilig bei den bisher bekannten
Lösungen,
sind die erheblichen Kosten für
die Schalter oder Potentiometer. Weiter wird für derartige Schalter oder Potentiometer
zur Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung ein entsprechender
Bauraum in dem Einlasskanal benötigt.
Erschwerend kommt hinzu, das diese Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung
nur eingeschränkt
zuverlässig ist,
da die Schalter bzw. Potentiometer nur die Position des Mechanikteils,
an dem sie üblicherweise
befestigt sind, anzeigen und somit nicht zwangsläufig die reale Ladungsbewegungsklappenstellung
erkannt wird. Außerdem
sind diese Schalter oder Potentiometer elektrische Bauteile, deren
Funktion anfällig
ist oder gestört
werden kann, so dass durch Fehler bei der Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung
Motorschäden
hervorgerufen werden können.
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Durch die Vielzahl von elektronischen
Steuerungsmöglichkeiten
wächst
einerseits der Energiebedarf der Kraftfahrzeuge, andererseits steigt
durch die vielen elektrischen bzw. elektronischen Komponenten auch
das Gesamtgewicht des Fahrzeuges, wobei durch die Vielzahl die Fehlerrate
steigt und durch das hohe Gewicht wiederum der Energiebedarf und
auch das Fahrverhalten negativ beeinflusst werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen unabhängig von
der Verwendung von Stellungssensoren eine zuverlässige Steuerung des Verbrennungsmotors
durch eine zuverlässige
Erkennung der Ladungsbewegungsklappenstellung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gelöst, bei dem einer Motorsteuerung
Motorparameter zugeführt
werden und ein von einem Luftmassensensor erzeugtes Luftmassensignal
der Motorsteuerung zugeführt
wird und bei dem eine Luftzufuhr zu einem Zylinder von einer Ladungsbewegungsklappe
beeinflusst wird und eine Stellung der Ladungsbewegungsklappe von
der Motorsteuerung in Abhängigkeit
des gemessenen Luftmassensignals detektiert wird.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass
unter den meisten Betriebsbedingungen für Verbrennungsmotoren eine
für die
Ladungsbewegungsklappenstellung symptomatische Luftmassenveränderung
auftritt.
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Die den Ansaugkanal durchströmende Luftmasse
wird unabhängig
von der Erfindung zur Steuerung des Motors mittels eines oder mehrerer
Luftmassensensoren aufgezeichnet. Diese Luftmassensensoren liefern
ein zuverlässiges
Signal über
die zugeführte
Luftmasse. Die Luftmassensensoren können bspw. als Heißfilm-Luftmassenmesser
ausgeführt
sein.
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Dieses gemessene Luftmassensignal
wird der Motorsteuerung zugeführt.
In der Motorsteuerung wird der Verlauf des Luftmassensignals überwacht. Beim
Auftreten von kurzzeitigen Anstiegen und einem anschließenden Wiederabfallen
bzw. einem kurzzeitigen Abfallen mit sofortigem Wiederanstieg des
Luftmassensignals erkennt die Motorsteuerung, dass die Ladungsbewegungsklappe
geschaltet bzw. bewegt wurde. Dazu berechnet die Motorsteuerung den
Anstieg des Luftmassensignals über
der Zeit. Steigt das Luftmassensignal im 1/10 s-Bereich sprunghaft
an bzw. ab und fällt
sofort wieder ab bzw. steigt sofort wieder an, wurde die Ladungsbewegungsklappenstellung
verändert.
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Somit wird eine Änderung der Ladungsbewegungsklappenstellung
erkannt, ohne dass Potentiometer oder Schalter an der Ladungsbewegungsklappe
angeordnet werden müssen.
Diese können zusätzlich angeordnet
sein. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
kann ohne Schalter oder Potentiometer an der Ladungsbewegungsklappe
mittels des vorhandenen Luftmassensignals die Ladungsbewegungsklappenstellung
sicher erkannt werden. Somit lassen sich neben der Erhöhung der
Zuverlässigkeit bei
der Motorsteuerung auch noch mechanische bzw. elektrische Bauteile
einsparen, wodurch außerdem
auch noch das Gewicht reduziert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung werden von der Motorsteuerung zur sicheren Erkennung
der Ladungsbewegungsklappenstellung weitere Motorparameter abgefragt.
Bspw. wird zur sicheren Erkennung die Drehzahl und/oder auch die Geschwindigkeit
etc. abgefragt. Vorraussetzung für einen
Stellungswechsel der Ladungsbewegungsklappe ist auch ein vorgegebener Öffnungswinkel
der Drosselklappe.
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Üblicherweise
werden Ladungsbewegungsklappen im Bereich gleicher Luftmassenströme für den geschlossenen
und offenen Zustand der Ladungsbewegungsklappe geschaltet, daher
ist eine Diagnose über
den gemessenen Luftmas senstrom ausgeschlossen. Durch einen Stellungswinkel ändert sich
das Luftmassensignal nicht signifikant. Bei Schaltung der Ladungsbewegungsklappe
vom geschlossenen in den offenen Zustand findet jedoch ein für die Ladungsbewegungsklappenstellung
symptomatisches kurzzeitiges Ansteigen und anschließendes Wiederabfallen
der durchgesetzten Luftmasse statt. Ebenso findet beim Schließen der
Ladungsbewegungsklappen ein symptomatisches Abfallen und sofortiges
Wiederansteigen des Luftmassensignals statt. Dieser Sprung ist in
vielen Betriebsbereichen des Motors ausreichend, um von der Motorsteuerungs-Software
als sicheres Erkennungszeichen der Ladungsbewegungsklappenstellung
herangezogen zu werden.
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Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist die sicherere Funktion des Verbrennungsmotors, da die Auswirkung
der Ladungsbewegungsklappenstellung erkannt wird und nicht ein indirektes elektrisches
Signal, welches von einem Schalter bzw. von einem Potentiometer
erzeugt wird. Dies führt
bei Erhöhung
der Zuverlässigkeit
zu einer deutlichen Kostensenkung und zu verringerten Bauraumanforderungen.
Letztlich wird durch Vermeidung von Motorschäden eine Erhöhung der
Lebensdauer eines Motors erreicht.
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Die Aufgabe wird auch durch eine
Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors gelöst, die
einen Verbrennungsmotor mit Zylindern und eine im Ansaugkanal angeordnete
Drosselklappe aufweist und bei der vor den Zylindern Ladungsbewegungsklappen
zur Steuerung der Luftzufuhr angeordnet sind und ein im Ansaugkanal
angeordneter Luftmassensensor ein Luftmassensignal erzeugt, welches
einer Motorsteuerung zuführbar
ist und bei der anhand des vom Luftmassensensor erzeugten Luftmassensignals
in der Motorsteuerung eine Stellung der Ladungsbewegungsklappen
ermittelbar ist.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne
Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedanken anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf
die im übrigen
bzgl. der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten
ausdrücklich
verwiesen wird. Es zeigen:
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1 schematische
Darstellung eines Verbrennungsmotors,
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2 graphische
Darstellungen des Verlaufs von Motorparameter.
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In den Figuren und der folgenden
Figurenbeschreibung sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils entsprechend
abgesehen wird.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors. Im Ansaugkanal 16 ist die
Drosselklappe 11 angeordnet, die von Aktuatoren 14 bspw.
Stellmotoren angetrieben wird. Der Positionssensor 19 ermittelt
mehrere Positionswerte und überträgt diese
zur Motorsteuerung 10. Vor der Drosselklappe 11 ist
ein Luftmassensensor 15 angeordnet. Dabei ist darauf hinzuweisen,
dass selbstverständlich
die Möglichkeit
besteht, mehrere Luftmassensensoren einzusetzen, wobei diese grundsätzlich an
einem beliebigen Ort im Ansaugtrakt angeordnet sein können. Der
Luftmassensensor 15 ist über nicht dargestellte A/D-Wandler
mit der Motorsteuerung 10 verbunden. Die Motorsteuerung 10 verfügt zur Speicherung
von permanenten Daten über
in 1 nicht dargestellte
EPROM-Speicher.
Zur Speicherung von Arbeitsdaten wird ein ebenso nicht dargestellter RAM-Speicher
verwendet. Ein Pro zessor μP
in der Motorsteuerung 10 nimmt die entsprechenden Berechnungen
bzw. Vergleiche vor und gibt den Ergebnissen entsprechende Steuerbefehle
zur Ansteuerung von Zündung 13,
Einspritzung 20 und Aktuatoren 14 für die Drosselklappe
etc. aus. Die Ladungsbewegungsklappen L1–L4 sind in den Einlasskanälen zu den
Zylindern Z1–Z4
angeordnet. Über
den hier nur vereinfachten dargestellten einzelnen Stellmotor 12 werden
die Ladungsbewegungsklappen L1–L4
geöffnet
bzw. geschlossen. Dabei kann sowohl eine einheitliche Öffnung bzw.
Schließung
der Ladungsbewegungsklappen L1–L4
für alle
Zylinder vorgesehen sein, als auch eine individuelle Öffnung bzw.
Schließung
für die
einzelnen Zylinder. Der Kraftstoff wird den Brennräumen der
Zylinder Z1–Z4 über die
Einspritzanlage 20 zugeführt. Über die von der Motorsteuerung 10 gesteuerte
Zündung 13 wird
das im Brennraum der Zylinder Z1–Z4 befindliche Kraftstoff-Luft
Gemisch entzündet.
Die Abgase werden über
den Auspuff 17 abgeführt.
Weiter ist ein Drehzahlgeber 18 dargestellt, der die vom
Motor abgegebene Drehzahl misst und der Motorsteuerung 10 übermittelt.
Die angeschlossenen Bauteile sind i.d.R. über direkte Leitungen, meistens
unter Einbindung der A/D-Wandler, mit der zentralen Motorsteuerung 10 verbunden.
Um Messungen vornehmen zu können,
sind an der Motorsteuerung 10 eine oder mehrere Schnittstellen
zum Anschluss von externen Überwachungsgeräten vorhanden.
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In 2 ist
der Verlauf von Motorparametern dargestellt. Signal 1 stellt
das vom Luftmassensensor 15 gemessene Luftmassensignal
LM dar. Das Signal 3 stellt den aus Positionswerten der
Drosselklappe 11 berechneten Drosselklappenwinkel WDK dar.
Signal 4 zeigt die berechnete Motordrehzahl Nmot, wobei die
Drehzahlermittlung aus dem Signal des serienmäßig angeschlossenen Kurbelwellen-Drehzahlgebers 18 berechnet
wird. Signal 2 zeigt die Schaltstellung einer Ladungsbewegungsklappe über der
Zeit.
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Die Luftmasse 1 wird in
kg/h gemessen, der Drosselklappenwinkel WDK wird in % dargestellt,
wobei bei 35% Öffnung
der Drosselklappe die Schaltschwelle zur Auslösung der Öffnung der Ladungsbewegungsklappe
liegt. Die Drehzahl Nmot wird in U/min dargestellt. Am unteren Bildrand
ist mit dem Signalverlauf 2 die Schaltstellung Ladungsbewegungsklappe
L1 dargestellt. Die Ladungsbewegungsklappe ist geschlossen, solange
der Wert hohen Level aufweist und geöffnet, wenn der Wert des Signals
im Diagramm einen niedrigen Level aufweist. Alle Signale 1-4 sind über der
Zeitachse aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass bei 29,2s eine Öffnung der
Ladungsbewegungsklappe stattfindet und bei 32,2s die Ladungsbewegungsklappe
geschlossen wird.
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Die Luftmasse selbst wird je nach
Betriebsbedingung des Motors nur wenig davon beeinflusst, ob die
Ladungsbewegungsklappe offen oder geschlossen ist. Der in der Aufzeichnung
z.B. bei 29,2 s erkennbare längerfristige
Sprung in der Luftmasse ist nicht symptomatisch. Ein derartiger
Sprung, wie er bei der gefahrenen Drehzahl und Last auftritt, kann auch
durch bspw. eine schnelle Lasterhöhung bzw. andere Bedingungen
herbeigeführt
werden.
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Symptomatisch für das Schalten einer Ladungsbewegungsklappe
ist aber die kurze Überhöhung bzw.
ein Überschwingen
der Luftmasse beim Öffnen
als auch ein Unterschwingen beim Schließen im Hunderstel-/Zehntelsekundenbereich.
Dies ist in der 2 durch
den Anstieg des Luftmassensignals 1 bei 29,2–29,3 s
von etwa 90 auf 113 kg/h in Verbindung mit dem sofortigen Wiederabfall
auf rund 106 kg/h ersichtlich. Die Berechnung des Drosselklappenwinkels
WDK (Signal 3) zeigt einen fast unveränderten Drosselklappenwinkel.
Durch das Schließen der
Ladungsbewegungsklappe bei 32,2s sinkt das Luftmassensignal LM kurzzeitig
ab und steigt sofort wieder an. Der Effekt ist in der rechten Bildhälfte von 2 beim zweiten Schalten
der Ladungsbewegungsklappe noch besser zu erkennen. Die Drosselklappe
wird ganz langsam geöffnet,
bei etwa 35% Öffnung
der Drosselklappe wird die Ladungsbewegungsklappe geöffnet. Das Überschwingen
im Luftmassensignal ist beim Schalten der Ladungsbewegungsklappe
bei 42,6 s sehr gut zu erkennen, danach erkennt man auch den Effekt
bei gleichen Luftmassen im geöffneten/geschlossenen
Zustand der Ladungsbewegungsklappe. Die Ladungsbewegungsklappe wird
bei 45,7 s geschlossen und die Drosselklappe ist fast geschlossen.
In der Luftmasse vor und nach dem Schalten zeigt sich kein Unterschied,
das Überschwingen
im Schaltmoment ist aber trotzdem gut auszumachen durch den kurzen
Einbruch nach unten.
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- 10
- Motorsteuerung
- 11
- Drosselklappe
- 12
- Stellmotoren
für Ladungsbewegungsklappen
L1–L4
- 13
- Zündanlage
- 14
- Aktuator/Stellmotor
für Drosselklappe
- 15
- Luftmassensensor
- 16
- Ansaugkanal
- 17
- Auspuff
- 18
- Drehzahlgeber
- 19
- Positionssensor
für Drosselklappe
- 20
- Einspritzanlage
- LM
- Luftmassensignal
- WDK
- Drosselklappenwinkel
- Nmot
- Drehzahl
- Signalverlauf
1
- Luftmasse
- Signalverlauf
2
- Schaltstellung
Ladungsbewegungsklappe
- Signalverlauf
3
- Drosselklappenwinkel
- Signalverlauf
4
- Drehzahl
- μp
- Prozessor