DE19727597C1

DE19727597C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19727597C1
Application number: DE19727597A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Schumacher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-06-29
Also published as: EP0991859A1; EP0991859B1; ATE221958T1; DE59805120D1; WO1999000592A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in feuchter Umgebung.

Im allgemeinen wird bei der Abstimmung von Motoren dem Wasserdampfgehalt der angesaugten Luft wenig Beachtung geschenkt weil bei normalen Abstimmbedingungen die Temperatur der Luft niedrig und damit der Wasserdampfgehalt der Luft vernachlässigbar klein ist. Während des Betriebes bei hohen Lufttemperaturen und hoher Luftfeuchte, wie beispielsweise in tropischen Klimazonen vorliegend, nimmt der Wasserdampfgehalt der Luft nicht mehr zu vernachlässigende Größenordnungen an. Dies kann dazu führen, daß die für die Abstimmung der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmasse um mehr als 10% zu hoch ist. Bei Kraftfahrzeugen mit Otto-Motoren mit -Regelung wird dieser Fehler automatisch ausgeregelt, wobei dies jedoch eine gewisse Zeit erfordert und aufgrund des großen Regelbereiches zu Ungenauigkeiten führt. Bei Dieselmotoren hingegen scheidet eine solche Regelung gänzlich aus. Daher wird bei Dieselmotoren eine Voreinstellung getätigt, die entweder auf maximale Leistung oder minimale Emission gerichtet ist. Dazu kann der Dieselmotor auf maximale Feuchte eingestellt werden, was jedoch zu Leistungseinbußen führt, oder aber es kommt bei höherer Luftfeuchtigkeit zu verstärkter Rußbildung.

Aus der EP 509 496 B1 ist eine Regelvorrichtung für einen Gasturbinenbrenner zur Erzielung einer stabilen Verbrennung mit begrenzter No_x-Emission bekannt, umfassend eine Einrichtung zur Messung einer Eigenschaft der Frischluft, nämlich der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit, eine Einrichtung zur Korrektur der Frischluft-Strömungsrate oder des Verhältnisses von Kraftstoff-Strömungsrate zu Frischluft-Strömungsrate entsprechend der Änderung in der gemessenen Eigenschaft, so daß der Arbeitspunkt des Brenners in einem stabilen Verbrennungsbereich gehalten wird, wobei eine weitere Einrichtung zur vorherigen Bestimmung und Speicherung einer Grenzlinie für stabile Verbrennungen zwischen dem stabilen Verbrennungsbereich und einem instabilen Verbrennungsbereich in einer Koordinationsebene der Frischluft-Strömungsrate und/oder des Verhältnisses von Kraftstoffströmungsrate zu Frischluft-Strömungsrate sowie der Temperatur und/oder Feuchtigkeit der Frischluft für jede Turbinenlast und eine Einrichtung zur Bestimmung des momentanen Arbeitspunktes des Brenners in diesen Koordinaten vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die absolute Feuchtigkeit der Frischluft gemessen wird. Nachteilig an der bekannten Regelvorrichtung ist, daß diese relativ aufwendig ist, da diverse Kennlinien vorab zu bestimmen sind und der vorgesehene Regelvorgang, der durch einen Mikroprozessor gesteuert wird, sehr komplex ist.

Aus der DE 44 40 796 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansaugen und Beimischen wenigstens eines Zusatzstoffes in eine Fluidströmung bekannt, insbesondere von Frischluft in eine Brennstoffströmung, wobei der Zusatzstoff durch einen von der Fluidströmung erzeugten Unterdruck bei inniger Vermischung mit dem Fluid angesaugt wird. Dazu ist vorgesehen, daß der Feuchtigkeitsgehalt bzw. die relative Feuchtigkeit des Zusatzstoffes vor dem Beimischen herabgesetzt werden, um den Schadstoffaustausch zu reduzieren. Nachteilig an der Vorrichtung ist der apparative Aufwand, der den Einsatz insbesondere in Kraftfahrzeugen erschwert.

Zusätzlich ist aus der japanischen Patentanmeldung JP 62-2 149 eine Einrichtung zur genauen Ermittlung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses bei einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Sensor das Luft/Kraftstoffverhältnis auf der Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas ermittelt. Über weitere Sensoren wird zusätzlich der Partialdruck des Sauerstoffes in der Atmosphäre und die Luftfeuchte erfaßt und aus den beiden Werten ein Kalibrierungswert errechnet, der dem Ausgangswert des Sauerstoffsensors zur Verbesserung der Meßgenau igkeit überlagert wird.

In der japanischen Patentanmeldung JP 5-346 336 wird ein Verfahren zur Korrektur des ermittelten Massestroms im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Korrek tur erfolgt hier in Abhängigkeit des Luftdruckes und der absoluten Luftfeuchte in der Atmos phäre.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mittels derer eine einfache Anpassung der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit möglich ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3.

Durch die Ermittlung eines Korrekturfaktors aus den erfaßten Werten für die Temperatur und die relative Luftfeuchte, mittels dessen die Brennstoffmenge an die äußeren Umgebungsparameter bzw. die verfügbare Sauerstoffmasse angepaßt wird, ergibt sich ein reduzierter Emissionsausstoß und Brennstoffverbrauch ohne Leistungseinbußen. Des weiteren kann auf aufwendige Regelvorrichtungen verzichtet werden und statt dessen eine Steuerung Anwendung finden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftfahrzeugmotors.

Die Vorrichtung zur Steuerung umfaßt einen Temperatursensor 1, einen Sensor 2 zur Erkennung der relativen Feuchte, einen Drucksensor 3, ein Speicherelement 4 und ein Steuergerät 5. Der Kraftfahrzeugmotor umfaßt einen Motorblock 6, in dem die einzelnen Zylinder angeordnet sind, eine Luftansaugung 7, einen nachgeschalteten Luftfilter 8, einen Ansaugkrümmer 9, einen Ansaugtrakt 10, Luftzuführungen 11 für die einzelnen Zylinder und eine Abgasleitung 12. Zusätzlich ist eine Kraftstoffleitung vorhanden, wobei eine Einspritzanlage 13 zylinderindividuell die Kraftstoffmenge steuert. Der Temperatursensor 1, der Sensor 2 und der Drucksensor 3 sind vor der Luftansaugung 7 angeordnet und erfassen jeweils Temperatur relative Feuchte und den Gesamtdruck p der feuchten Luft. Die erfaßte Temperatur

wird an das Speicherelement 4 übergeben, in dem eine Funktion des Sättigungsdruckes des Wasserdampfes abgelegt ist. Der zur erfaßten Temperatur zugehörige Sättigungsdruck des Wasserdampfes

erfaßte relative Feuchte und der Gesamtdruck p werden in dem Steuergerät 5 zu einem Korrekturfaktor gemäß folgender Beziehung zusammengefaßt:

Dieser Korrekturfaktor

wird an die Einspritzanlage 13 übergeben und dort mit einer nominierten Einspritzzeit multipliziert, so daß entsprechend auch die den Zylindern zugeführte Kraftstoffmenge angepaßt ist. Über den Korrekturfaktor

wird die dem Zylinder zugeführte Kraftstoffmenge der vorhandenen Sauerstoffmenge angepaßt, die von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Da der Drucksensor 3 den Luftdruck mißt, kann ein meist bereits vorhandener Luftdruckmesser für die Höhenkorrektur dessen Aufgabe übernehmen. Alternativ können der Temperatursensor 1, der Sensor 2 und der Drucksensor 3 auch hinter dem Luftfilter 8 oder im Ansaugtrakt 10 angeordnet werden.

Nachfolgend wird die Herleitung des Korrekturfaktors

näher erläutert. Hierzu wird der Ausdruck

untersucht, der den Einfluß der Luftfeuchte auf die zur Reaktion im Zylinder zur Verfügung stehende trockene Luftmasse beschreibt. Dabei bedeuten
R = Gaskonstante,
m = Masse
und die Indizes stehen hier und im Folgenden für
f_L = feuchte Luft
L = trockene Luft und
D = Wasserdampf.

Für die Gesamtmasse der feuchten Luft gilt

Dies läßt sich mit den Molmassen M_i und den Substanzmengen n_i auch ausdrücken als

oder mit den Molanteilen v_i

Da die Summe aller Molanteile eines Gasgemisches gleich 1 ist, ergibt sich hier für den Molanteil der trockenen Luft

v_L = I - v_D,

so daß für das Verhältnis der Molmassen von feuchter zu trockener Luft auch geschrieben werden kann

Aus der Beziehung für die allgemeine Gaskonstante

läßt sich dann das Verhältnis der Gaskonstante von trockener zu feuchter Luft berechnen. Das Massenverhältnis von Wasserdampf zu trockener Luft wird ebenfalls über die Substanzmengen und deren Molmassen ausgedrückt

wobei n_L/n_D = ξ molares Feuchteverhältnis (Mol_D/Mol_L] genannt wird, das über die relative Feuchte der Luft errechenbar ist. Es gilt

mit den am gleichen Ort zu bestimmenden Größen
ϕ= relative, Luftfeuchte
p = (Gesamt-) Druck der feuchten Luft und

= Sättigungsdruck des Wasserdampfes für die am Ort herrschende Temperatur der feuchten Luft

.

Wird jetzt noch der Molanteil des Wasserdampfes mit dem Feuchtverhältnis ausgedrückt,

so ergibt sich für das Verhältnis der Gaskonstanten bzw. der Molmassen

Für den gesuchten Ausdruck der den Einfluß der Luftfeuchte auf die Einspritzdauer beschreibt, folgt daraus

oder

Aus dem Fehlerfortpflanzungsgesetz folgt für den relativen Fehler des Feuchtefaktor

Wird für den Umgebungsdruck p = 1 bar und dessen relativen Fehler Δp/p = ± 3% angesetzt, daß ist die Bandbreite in der der Umgebungsdruck gewöhnlich schwankt, für die relative Feuchte der größtmögliche Wert ϕ = 1, mit einer realistischen Meßungenauigkeit von Δϕ = ± 10% und den relativen Fehler mit dem der Sättigungsdruck zu bestimmen ist zu Δp''/p'' = ± 5% angenommen, so ergeben sich für den Feuchteeinflußfaktor

und dessen relativen Fehler

die in folgender Tabelle in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellten Werte.

Aus der Beispielrechnung ist zu ersehen, daß der Feuchteeinfluß bei hohen Umge bungstemperaturen nicht vernachlässigt werden sollte, aber auch, daß die Fehler bei relativ ungenauer Bestimmung der relativen Luftfeuchte nicht wesentlich ins Gewicht fallen. Insbesondere kann mit einem Umgebungsdruck von p = 1 bar gerechnet werden, so daß eine Messung des Umgebungsdruckes entfallen kann.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit, insbesondere für Kraftfahrzeuge mittels mindestens eines Temperatursensors (1) und eines Sensors (2) zur unmittelbaren oder mittelbaren Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ, umfassend folgende Verfahrensschritte:

a) Erfassung der Temperatur der Luft und der relativen Luftfeuchte ϕ,
b) Ermittlung des Sättigungsdruckes des Wasserdampfes für die erfaßte Temperatur
c) Ermittlung eines Korrekturfaktors
wobei der Gesamtdruck p der feuchten Luft wahlweise als konstant angenommen oder zusätzlich erfaßt wird und
d) Ermittlung einer angepaßten Brennstoffmenge mittels des Korrekturfaktors , die der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Korrekturfaktors die Einspritzzeit der Brennstoffmenge angepaßt wird.

3. Vorrichtung zur Ansteuerung von Brennkraftmaschinen , umfassend ein Steuergerät (5), einen Temperatursensor (1) und einen Sensor (2) zur unmittelbaren oder mittelbaren Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ, wobei der Temperatursensor (1) und der Sensor (2) zur Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ vor oder in einem Ansaugtrakt (10) der Brennkraftmaschine angeordnet sind, die Sensorausgänge mit dem Steuergerät (5) verbunden sind und das Steuergerät (5) mit einer die Brennstoffmenge beeinflussenden Stelleinrichtung (13) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (3) zur Erfassung des Druckes p der angesaugten Luft vor oder im Ansaugetrakt angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Ansaugtrakt angeordnete Drucksensor (3) als Höhenkorrektur-Drucksensor ausge bildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (5) ein Speicherelement (4) zugeordnet ist, in dem die Kennlinie des Sättigungsdruckes des Wasserdampfes abgelegt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (5) ein Algorithmus abgelegt ist, mit dem der Sättigungsdruck des Wasserdampfes berechenbar ist.