DE19753969A1

DE19753969A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19753969A1
Application number: DE19753969A
Authority: DE
Inventors: Andreas Roth; Qiang Dr Qiu; Michael Dr Nicolaou; Juergen Neubert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: DE19753969B4

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegrif fen der unabhängigen Patentansprüche.

Die Anforderungen an eine moderne Brennkraftmaschine im Hin blick auf eine Reduktion des verbrauchten Kraftstoffes und der ausgestoßenen Schadstoffe werden immer höher. Die elek tronische Steuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere die Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse, des einzu stellenden Zündwinkels und/oder der zuzumessende Luftfül lung, muß zur Erfüllung dieser Anforderungen immer genauer arbeiten. Dabei muß insbesondere die die Last der Brenn kraftmaschine repräsentierende Größe genau bestimmt werden, da diese zur Berechnung der Steuergrößen herangezogen wird. Die geeignetste Größe, die die Last repräsentiert, ist die Luftfüllung, insbesondere die relative Luftfüllung der Zy linder pro Hub. Diese Größe ist eine frischluftproportionale Größe, bei deren Verwendung zur Bestimmung der Steuergrößen eine sehr große Genauigkeit der Brennkraftmaschinensteuerung erreicht werden kann. Die Luftfüllung wird in möglichst ge nauer Weise aus den vorhandenen Größen berechnet. Für ein luftmassengesteuertes Steuerungssystem wird dies beispiels weise in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentan meldung 197 40 915.6 vom 17.9.1997 beschrieben.

Es hat sich in einigen Anwendungsfällen herausgestellt, daß die Umgebungstemperatur erheblichen Einfluß auf die Berech nung der Luftfüllung hat. Insbesondere wurde festgestellt, daß mit steigender Ansaugluft- oder Umgebungstemperatur die berechnete Füllung kleiner als die an einem Versuchsträger gemessene Füllung wird. Das Gemisch wird daher mit steigen der Ansauglufttemperatur (zumindest in der Vorsteuerung) ab gemagert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, die die Genauigkeit bei der Berechnung der Luftfüllung verbessern.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi gen Patentansprüche erreicht.

Vorteile der Erfindung

Die Genauigkeit der Berechnung der Luftfüllung aus dem ge messenen Signal (z. B. Luftmasse, Saugrohrdruck) wird erheb lich verbessert. Besonders vorteilhaft ist, daß das Ergebnis der Berechnung, die Luftfüllung, im wesentlichen unabhängig von der Umgebungstemperatur bzw. der Ansauglufttemperatur des Motors ist.

Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß physi kalisch richtige Werte unabhängig von der Ansauglufttempera tur berechnet werden.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß durch die Kompensation des Einflusses der Ansauglufttemperatur auf das zur Berech nung der Luftfüllung eingesetzte Modell (Saugrohrmodell) die Applizierbarkeit des Modells erheblich verbessert wird, weil die Applikation des Modells für jeden Motortyp prinzipiell für alle Ansauglufttemperaturen gültig ist.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß eine verbesserte Be rechnung des die Brennraumtemperatur repräsentierenden Fak tors bereitgestellt wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß bei dem verwendeten Saugrohr modell der Einfluß der Ansauglufttemperatur auf den den Zu sammenhang zwischen dem Frischgaspartialdruck und der Luft füllung beschreibenden Steigungsfaktor kompensiert wird. Da durch wird die Genauigkeit dieses Saugrohrmodells erheblich verbessert. Da der berechnete Frischgaspartialdrucks im we sentlichen von der Ansauglufttemperatur unabhängig ist, ist durch die Kompensation des Ansauglufttemperatureinflusses auf den Steigungsfaktor das gesamte Saugrohrmodell ansaug lufttemperaturunabhängig.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine, während in Fig. 2 ein Ablaufdiagramm dargestellt ist, an welchem die Berechnung der relativen Luftfüllung aus einem Saugrohr druckwert dargestellt ist. In Fig. 3 schließlich ist die Kompensation der Ansauglufttemperaturabhängigkeit des die Brennraumtemperatur repräsentierenden Faktors als Ablaufdia gramm beschrieben.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine, welches wenigstens eine Steuereinheit 10 umfaßt, die wenig stens eine Eingangsschaltung 12, wenigstens einen Mikrocom puter 14 und wenigstens eine Ausgangsschaltung 16 aufweist. Diese Elemente sind über ein Kommunikationssystem 18 zum ge genseitigen Datenaustausch miteinander verbunden. Der Ein gangsschaltung 12 werden verschiedene Eingangsleitungen zu geführt, über die von entsprechenden Meßeinrichtungen ermit telte Meßsignale übermittelt werden. Über eine erste Ein gangsleitung 20 wird von einem Druckfühler 22 ein den Saug rohrdruck Ps repräsentierendes Signal zugeführt. Über eine Eingangsleitung 24 wird von einem Stellungsgeber 26 ein die Drosselklappenstellung wdkba repräsentierendes Signal zuge führt. Ferner wird über eine Eingangsleitung 28 von einer entsprechenden Meßeinrichtung 30 ein die Motordrehzahl nmot repräsentierendes Signal zugeführt. Über eine Eingangslei tung 32 wird von einem Nockenwellenstellungsgeber 34 ein Si gnal übermittelt, aus welchem die Stellung der Nockenwelle °NW ableitbar ist. Ferner sind Eingangsleitungen 36 und 38 vorgesehen, über die von entsprechenden Temperaturfühlern 40 und 42 Signale zugeführt werden, die die Motortemperatur tmot und die Ansaugluft- bzw. Umgebungstemperatur tans re präsentieren. Ein weiterer Druckfühler 44 führt über eine Eingangsleitung 46 der Steuereinheit 10 ein den Umgebungs druck Pu repräsentierendes Signal zu. Über die Ausgangs schaltung 16 steuert die Steuereinheit 10 die Steuergrößen der Brennkraftmaschine und beeinflußt auf diese Weise z. B. die Kraftstoffzumessung (48), den Zündwinkel (50) und in ei nem bevorzugten Ausführungsbeispiel auch die Stellung der Drosselklappe 52.

Durch im Mikrocomputer 14 implementierten Programme steuert die Steuereinheit 10 in Abhängigkeit der Eingangsgrößen we nigstens die einzuspritzende Kraftstoffmenge, den einzustel lenden Zündwinkel und gegebenenfalls die zuzuführende Luft füllung. Dies erfolgt auf der Basis der relativen Luftfül lung (Frischgas), welche die auf bestimmte Maximal- und Mi nimalwerte normierte (Frischgas-)Zylinderfüllung pro Hub darstellt.

Zur Bestimmung dieser Größe wird aus dem gemessenen Saug rohrdruck Ps mittels eines Saugrohrmodells der Frischgaspar tialdruck berechnet, aus dem durch einen Umrechnungsfaktor (Steigung) die relative Luftfüllung gebildet wird.

Es hat sich gezeigt, daß der Zusammenhang zwischen Füllung und Saugrohrdruck im wesentlichen linear ist. Dies deshalb, weil beim Ladungswechsel näherungsweise Druckausgleich zwi schen Saugrohr und Zylinder herrscht. Dieser lineare Zusam menhang wird durch den Restgasanteil im Zylinder gestört, da nach Ende des Auslaßvorgangs noch Abgas im Zylinder ver bleibt, ein Teil dieses Restgases zeitweise in das Saugrohr zurückströmt, wenn das Einlaßventil geöffnet ist, und danach wieder angesaugt wird.

Bei der Berechnung des Frischgaspartialdrucks ist daher der interne Restgasanteil pirg zu berücksichtigen, der durch die geöffneten Ventile in das Saugrohr zurückfließt. Der gemes sene Saugrohrdruck enthält auch diesen internen Restgasan teil. Er wird daher bei der Berechnung des Frischgaspar tialdrucks vom gemessenen Saugrohrdruck subtrahiert. Dieser Restgasanteil pirg bildet einen additiven Korrekturwert für den linearen Zusammenhang, d. h. einen Offset. Der Restgasan teil pirg wird bestimmt auf der Basis des Nockenwellenüber schneidungswinkels der den Winkel der Nockenwelle charakte risiert, während dessen sowohl Einlaß- als auch Auslaßventil geöffnet sind. Dieser Winkel ist somit ein Maß für die mitt lere Querschnittsfläche, die für ein Überströmen des Abgases vom Auspufftrakt in das Saugrohr zur Verfügung steht. Da die überströmende Abgasmasse auch von der Zeitspanne abhängt, während der Einlaß- und Auslaßventil geöffnet sind, muß zur Bestimmung der internen Abgasrückführrate auch die Drehzahl als Eingangsgröße herangezogen werden. Der Nockenwellenüber schneidungswinkel ergibt sich aus dem Nockenwellenstellungs signal °NW.

Eine Abhängigkeit vom Nockenwellenüberschneidungswinkel und der Drehzahl zeigt auch die Steigung des Modells für den Zu sammenhang zwischen Druck und Füllung.

Zur Berechnung der Füllung aus dem Saugrohrdruck wird ein linearer Zusammenhang mit einem vom Nockenwellenüberschnei dungswinkel und der Motordrehzahl abhängigen, aus einem Kennfeld ausgelesenen Offset und einer von den gleichen Grö ßen abhängigen, ebenfalls aus einem Kennfeld ausgelesenen Steigung vorgegeben.

Da der Restgasanteil und die Steigung ferner von der Um schaltung des Saugrohrs abhängig sind, sind für jede Saug rohrstellung bestimmte Kennfelder vorgesehen und es wird je nach Saugrohrstellung auf das zugehörige Kennfeld umgeschal tet. Um bei der Umschaltung der Klappenstellung keine sprunghaften Änderungen zu erhalten, werden die Faktoren (Restgasanteil pirg und Steigung) bei der Umschaltung gefil tert.

Desweiteren ist der Restgasanteil vom Umgebungsdruck abhän gig. Mit abnehmendem Umgebungsdruck sinkt der Abgasdruck und damit der Restgasanteil im Zylinder. Aus diesem Grund wird der Restgasanteil mit einem Höhenfaktor korrigiert.

Die Steigung ist ferner von der Brennraumtemperatur abhän gig. Entsprechend findet eine Korrektur der Steigung mit der Brennraumtemperatur statt. Letztere wird dabei anhand von Motortemperatur und Ansauglufttemperatur (Umgebungstempe ratur) nach Maßgabe eines Modells abgeschätzt.

Die auf diese Weise gebildete Luftfüllungsgröße (Frischluft anteil) wird bei der Berechnung der Steuergrößen berücksich tigt, indem sie beispielsweise direkt oder nach Umrechnung in einen Frischluftmassenstrom mittels einer Konstanten bei der Bestimmung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse, des einzustellenden Zündwinkels und/oder der einzustellenden Drosselklappenstellung ausgewertet wird.

Die Bestimmung der relativen Luftfüllung rl aus dem Saug rohrdruck Ps erfolgt nach folgender Gleichung:

rl = (Ps - (KFPIRG × fho)) × KFPSURL × ftbr

mit
rl relative Luftfüllung
Ps gemessener Saugrohrdruck
KFPIRG Kennfeldwert für Restgasanteil abhängig von Motor drehzahl und Nockenwellenstellung
fho Korrekturfaktor abhängig vom Umgebungsdruck
KFPSURL Kennfeldwert für die Steigung abhängig von Motor drehzahl und Nockenwellenstellung
ftbr Brennraumtemperaturfaktor

In wenigstens einem Anwendungsfall hat es sich gezeigt, daß das auf diese Weise berechnete Luftfüllungssignal abhängig von der Ansauglufttemperatur schwankt. Ergebnis einer ge naueren Untersuchung war, daß der Temperatureinfluß auf den partiellen Restgasdruck pirg sehr gering ist, so daß sich die Temperaturabhängigkeit des Luftfüllungssignals aus der Abhängigkeit des Steigungsfaktors fpsurl von der Umgebungs temperatur ergibt. Diese wird dort im Rahmen der Bestimmung der Brennraumtemperatur bzw. des die Brennraumtemperatur re präsentierenden Faktors ftbr berücksichtigt.

Das Modell zur Bestimmung der Temperatur im Brennraum zu dem Zeitpunkt, zu dem das Einlaßventil schließt, baut auffol gende Vorgaben: Die Temperaturerhöhung der Luft auf dem Weg zum Brennraum ist proportional zur Temperaturdifferenz zwi schen Kühlwasser und Ansaugluft. Der Proportionalitätsfaktor ist in erster Näherung eine Funktion der Luftfüllung. Bei einer physikalisch richtigen Luftfüllungsberechnung muß der berechnete Luftfüllungswert unabhängig von der Ansaugluft temperatur sein. Da, wie oben erwähnt, der Restgaspar tialdruck sich nicht mit der Ansauglufttemperatur verändert, muß der Steigungsfaktor fpsurl unabhängig von der Lufttempe ratur konstant sein. Für den Faktor ftbr der Brennraumtempe ratur ergibt sich dann als Modellgleichung, die diese Forde rungen erfüllt, der folgende Zusammenhang:

ftbr = [273K/(273K + tans + KFWTBR.(tmot-tans)]^x

mit
tans Ansauglufttemperatur, Umgebungslufttemperatur
tmot Kühlwassertemperatur
KFWTBR von Motordrehzahl und Füllung abhängiger Proportio nalitätsfaktor

In einem Anwendungsbeispiel hat sich als Exponent x ein Wert von 0,75 gefunden, der das obengenannte Kriterium der kon stanten, von der Ansauglufttemperatur unabhängigen Steigung erfüllt.

Eine andere Möglichkeit der Ansauglufttemperaturkompensation ergibt sich durch die Berücksichtigung eines ansauglufttem peraturabhängigen Korrekturfaktors bei der Bestimmung des Faktors ftbr, in etwa in der folgenden Weise:

ftbr = [273K/(273K + evtmod)].FWFTBRTA(tans))

mit
evtmod Brennraumtemperatur = tans + KFWTBR.(tmot-tans)
FWFTBRTA (tans) Korrekturfaktor, von Ansauglufttemperatur abhängig.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß eine Ansauglufttempe raturkompensation dazu führt, daß die berechnete Luftfüllung unabhängig von der Lufttemperatur ist. Diese Erkenntnis läßt sich sowohl bei Systemen anwenden, bei denen der Druck di rekt gemessen wird als auch bei Systemen, die wie im ein gangs genannten Stand der Technik die zugeführte Luftmasse messen und wenigstens unter Berücksichtigung der Motordreh zahl daraus ein Drucksignal ableiten, welches mittels des vorgestellten Saugrohrdruckmodells in eine Luftfüllung umge rechnet wird.

Die beschriebene Vorgehensweise ist im Ablaufdiagramm nach Fig. 2 dargestellt, welches ein entsprechendes Programm des Mikrocomputers 14 repräsentiert.

Vom gemessenen Saugrohrdruck Ps wird in einer Verknüpfungs stelle 100 der Restgasanteil pirg subtrahiert. Der Rest gasanteil pirg wird gebildet im Kennfeld 102 in Abhängigkeit der Motordrehzahl nmot und der Nockenwellenstellung °NW. Der ausgelesene Wert KFPIRG wird einer Multiplikationsstelle 104 zugeführt, in der der aus dem Umgebungsdruck Pu abgeleitete Korrekturfaktor fho mit dem Kennfeldwert KFPIRG multipli ziert wird. Der Korrekturfaktor ist dabei vorzugsweise der auf einen Normdruck (1013 hPa) bezogene Umgebungsdruck Pu, auf den die Werte des Kennfelds 102 abgestimmt sind. Ausgang der Multiplikationsstelle 104 ist der Restgasanteil pirg, der in der Verknüpfungsstelle 100 vom gemessenen Saugrohr druck subtrahiert wird (Offset der Umrechnungskennlinie).

Das Ergebnis dieser Subtraktion wird einer Multiplikations stelle 106 zugeführt, durch die die Steigung fpsurl des Mo dells berücksichtigt wird. In einem Kennfeld 108 wird abhän gig von der Motordrehzahl nmot und der Nockenwellenstellung °NW ein Kennfeldwert für die Steigung KFPSURL ausgelesen. Dieser wird in einer Multiplikationsstelle 110 mit einem Korrekturfaktor ftbr abhängig von der Brennraumtemperatur multipliziert. Der auf diese Weise gebildete Steigungswert fpsurl wird in der Multiplikationsstelle 106 mit der Diffe renz von Saugrohrdruck und Restgasanteil multipliziert. Aus gangssignal der Multiplikationsstelle 106 ist die relative Luftfüllung rl, die zur weiteren Steuerung der Brennkraftma schine ausgewertet wird (symbolisiert in 114). Der Brenn raumtemperaturfaktor ftbr wird in einem Modell 112 wenig stens in Abhängigkeit der Motortemperatur tmot und der An saugtemperatur tans bestimmt. Die ermittelte Brennraumtempe ratur wird dabei zur Bildung des Korrekturfaktors auf eine Temperatur von 273K normiert, auf die die Werte des Kenn felds 108 abgestimmt sind.

In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur An sauglufttemperaturkompensation des Saugrohrmodells darge stellt. Das Ablaufdiagramm zeigt die Realisierung des oben dargestellten Zusammenhangs zwischen Ansauglufttemperatur und Brennraumtemperaturfaktor ftbr in einem bevorzugten Aus führungsbeispiel.

Zunächst wird in 200 die Differenz zwischen der gemessenen Kühlwassertemperatur tmot und der gemessenen Ansauglufttem peratur tans gebildet. Diese Differenz wird in der Multipli kationsstelle 202 mit dem aus dem Kennfeld 204 ausgelesenen Proportionalitätsfaktor KFWTBR multipliziert. Dieser Propor tionalitätsfaktor wird im Kennfeld 204 abhängig von der Luftfüllung rl und der Motordrehzahl nmot ausgelesen. Das Kennfeld 204 wird dabei für jeden Motortyp appliziert. Die mit dem Proportionalitätsfaktor multiplizierte Differenz wird in 206 zum gemessenen Ansauglufttemperaturwert tans ad diert. Dieser Ausdruck wird in der folgenden Summationsstel le 208 mit der Normtemperatur 273K addiert. In der Divisi onsstelle 210 wird der Normierungsfaktor 273K durch die in der Summationsstelle 208 gebildete Gesamtsumme dividiert. Dieser Ausdruck wird in 212 mit dem vorgegebenen Exponenten x potenziert und auf diese Weise der Brennraumtemperaturfak tor ftbr gebildet.

Ist eine externe Abgasrückführung vorgesehen, so ist deren Partialdruck als Offsetkorrekturwert bei der Bestimmung des Frischluftpartialdrucks gemäß Fig. 2 ebenfalls zu berück sichtigen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei ein die Last der Brennkraftmaschine repräsentierendes Signal (Ps) erfaßt und abhängig von diesem Signal ein Maß für die Füllung (rl) der Zylinder der Brennkraftmaschine berechnet wird, wobei die Zylinderfüllung zur Steuerung wenigstens ei ner Betriebsgröße wie Kraftstoffzumessung, Zündwinkel oder Luftzufuhr ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Füllung ein Modell herangezogen wird, bei welchem die Ansauglufttemperatur berücksichtigt wird, diese Berücksichtigung derart gewichtet ist, daß das berechnete Luftfüllungssignal im wesentlichen unabhängig von der An sauglufttemperatur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Last der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe der Saugrohrdruck ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die die Last repräsentierende Grö ße die Luftmasse ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß aus dem gegebenenfalls aus der Luftmasse berechneten Saugrohrdruck unter Berücksichtigung des Restgaspartialdrucks ein Frischluftpartialdruck gebildet wird, der mittels eines Steigungsfaktors in einen Luftfül lungswert umgewandelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der Luftfüllung die Brennraumtemperatur berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Steigungsfaktors die Brennraumtempe ratur berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Brennraumtemperatur im Rahmen eines Modells abhängig von Motortemperatur und Ansauglufttempera tur bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Berechnung der Brennraumtemperatur die Ansauglufttemperatur derart berücksichtigt wird, daß der Steigungsfaktor unabhängig von der Ansauglufttemperatur kon stant bleibt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Wichtung der Berücksichtigung der Ansauglufttemperatur bei der Bestimmung des Brennraum temperaturfaktors derart vorgenommen wird, daß der aus Mo tortemperatur und Ansauglufttemperatur bestimmte Faktor mit einem vorgegebenen Exponenten oder einem ansauglufttempera turabhängigen Faktor gewichtet wird.

10. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinheit, welche wenigstens ein die Last der Brennkraftmaschine repräsentierendes Signal (Ps) empfängt, die abhängig von diesem Signal ein Maß für die Füllung (rl) der Zylinder der Brennkraftmaschine berechnet, wobei die Zy linderfüllung zur Steuerung wenigstens einer Betriebsgröße wie Kraftstoffzumessung, Zündwinkel oder Luftzufuhr ausge wertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit Mittel enthält, die die Füllung mittels eines Modells be rechnet, bei welchem die Ansauglufttemperatur berücksichtigt wird, daß die Steuereinheit Wichtungsmittel aufweist, die die Berücksichtigung der Ansauglufttemperatur derart wich ten, daß das berechnete Luftfüllungssignal im wesentlichen unabhängig von der Ansauglufttemperatur ist.