DE19756919A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors

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Hendrik Koerner
Werner Hess
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung ist einsetzbar insbesondere auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik, beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor in einem Personenkraftwagen.
Übliche Verbrennungsmotoren weisen ein Saugrohr auf, in welchem sich ein Gasgemisch bestehend aus einem Frischgas und einem Abgas befindet. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird dieses Gasgemisch in die Zylindervolumen des Verbrennungsmotors eingesaugt und anschließend verdichtet und verbrannt. Das Volumen des in den Zylinder einströmenden Gases, inbesondere der Frischgasanteil dieses Volumens, muß bestimmt werden, um dementsprechend die Menge des für die Verbrennung zur Verfügung zu stellenden Kraftstoffs zu bemessen.
Die DE 32 38 190 C2 beschreibt ein elektronisches System zum Steuern bzw. Regeln von Betriebskenngrößen einer Brennkraftmaschine. Dabei wird auf der Basis von Drehzahl und Luftdurchsatz im Ansaugrohr der Druck im Ansaugrohr bestimmt bzw. auf der Basis der Drehzahl und dem Druck wird der Luftdurchsatz bestimmt.
In der Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 197 13 379.7 wird eine Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft beschrieben. Dieses System berücksichtigt auch die aufgrund der Ladungsvorgänge zusätzlich auftretenden physikalischen Gegebenheiten. Insbesondere werden die im Saugrohr einer Brennkraftmaschine mit Lader ablaufenden physikalischen Vorgänge durch Einbeziehung physikalischer und strömungstechnischer Zusammenhänge gut erfaßt.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen behandeln das im Saugrohr sich befindliche Gasgemisch einheitlich hinsichtlich der Ermittlung der Gasfüllung des Verbrennungsmotors. Insbesondere wird bei dem Gasgemisch nicht zwischen einem Frischgas-Anteil und einem Ab­ gas-Anteil unterschieden. Hierdurch sind die ermittelten Gasfüllmengen fehlerbehaftet. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen den Meßgrößen und der Zielgröße Füllung pro Hub sowie der Einfluß der Abgasrückführung werden auf empirische Weise direkt korrigiert. Eine solche Korrektur ist nur stationär genau. Darüber hinaus wird der variable Zusammenhang zwischen der Gasfüllung und dem Saugrohrdruck nicht berücksichtigt, wie er z. B. bei einer aktiven Tankentlüftung oder einer Nockenverstellung auftritt.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile überwindet. Insbesondere soll das Problem gelöst werden, den Frisch­ gas-Anteil an dem befüllten Gasvolumen zu ermitteln. Darüber hinaus soll die Erfindung eine große Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Eingangsgrößen aufweisen. Darüber hinaus soll das erfindungsgemäße Verfahren robust und zuverlässig ablaufen sowie die zugehörige Vorrichtung kostengünstig in der Herstellung, Betrieb und Wartung sein.
Das Problem wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen offenbarten Verfahren und Vorrichtungen gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Eine Zusammenstellung der in der nachfolgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten Abkürzungen findet sich am Ende der Beschreibung.
Die vorstehend genannten Probleme werden durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors, der ein Saugrohr aufweist, gelöst, wobei sich in dem Saugrohr ein Gasgemisch aus einem Frischgas und einem Abgas befindet, wobei aus dem Saugrohr ein Gasmassenstrom mp_ab abströmt und wobei in dem Saugrohr ein Saugrohr-Druck (ps) herrscht, gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln eines Partialdrucks des Frischgas-An­ teils ps_fg an dem Gasmassenstrom mp_ab durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Frischgas-Massenstrom mp_fg, und Ermitteln eines Partialdrucks des Abgas-Anteils ps_ag an dem Gasmassenstrom mp_ab durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Abgas-Massenstrom mp_ag. Unter dem Aufstellen der Massenbilanz ist hierbei insbesondere die zeitliche Ableitung der allgemeinen Gasgleichung
m × R × T = p × V
zu verstehen. Damit ergibt sich für die Massenbilanz für den Frischgas-Anteil:
Entsprechend gilt für die Massenbilanz für den Abgas-Anteil:
Diese getrennte Bilanzierung von Frischgas und Abgas bietet den Vorteil, daß das befüllte Frischgasvolumen exakt berechnet werden kann. Dadurch ist vorteilhaft eine exakte und zuverlässige Bestimmung der zuzuführenden Kraftstoffmenge möglich. Dies erlaubt einen umweltschonenden und energiesparenden Betrieb des Verbrennungsmotors. Dadurch werden die Betriebskosten des Verbrennungsmotors reduziert und die Lebenserwartung des Verbrennungsmotors erhöht. Weiterhin ist vorteilhaft, daß auch bei verschiedenen Konfigurationen des Verbrennungsmotors, beispielsweise mit oder ohne Abgasrückführung, mit oder ohne Aufladung, usw., eine genaue Bestimmung der zuzuführenden Brennstoffmenge ermöglicht wird.
In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung berechne das Verfahren den Saugrohr-Druck ps aus der Summe des Partialdrucks des Frischgas-Anteils ps_fg und des Partialdrucks des Abgas-Anteils ps_ag. Diese Berechnung erfolgt durch die Addition:
ps = ps_fg + ps_ag.
Diese Berechnung des Saugrohrdrucks ps bietet den Vorteil, daß ein eventuell zusätzlich gemessener Wert für den Saugrohrdruck anhand des berechneten Wertes überprüft werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, daß der Saugrohrdruck auf diese Weise ohne den zusätzlichen Aufwand eines Druck-Meßwertaufnehmers bestimmt werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, daß der Saugrohrdruck auf diese Weise auch bei einem Ausfall eines vorhandenen Druck-Meßwertaufnehmers bestimmt werden kann.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ermittelt den Saugrohr-Druck ps unter Verwendung eines entsprechenden Meßwertaufnehmers. Als Meßwertaufnehmer kommen dabei beliebige, handelsübliche Druck-Meßwertaufnehmer in Frage, insbesondere Dehnungsmeßstreifen, Membran-Drucksensoren oder resonante Drucksensoren. Der Druck kann direkt oder indirekt über ein Zwischenmedium bestimmt werden. Das vom Druck-Meßwertaufnehmer gelieferte Signal kann durch entsprechende Beschaltung noch aufbereitet werden, beispielsweise kann eine Temperaturkompensation oder ein Offset-Abgleich vorgesehen sein. Die Ermittlung des Saugrohr-Drucks ps unter Verwendung eines Meßwertaufnehmers bietet den Vorteil, daß der Saugrohr-Druck ps damit sehr genau bestimmt werden kann. Weiterhin ist von Vorteil, daß der mittels der Partialdrücke berechnete Saugrohr-Druck mittels des gemessenen Saugrohr-Drucks überprüft und ggf. korrigiert und die Berechnung kalibriert werden kann.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ermittelt aus dem Saugrohr-Druck den Gasmassenstrom mp_ab. Diese Ermittlung erfolgt unter Berücksichtigung der Drehzahl n des Verbrennungsmotors sowie einer ggf. vorhandenen Nockenwellenverstellung NWS des Verbrennungsmotors, woraus ein Korrekturwert p_iagr der internen Abgasrückführung berücksichtigt wird. Insbesondere ist es damit möglich, den aus dem Saugrohr abströmenden Gasmassenstrom mp_ab gemäß der Gleichung
mp_ab = (ps - p_iagr) × K
zu bestimmen.
Bei dem Wert K handelt es sich dabei um eine Berechnungskonstante, in welche die Pumpengleichung eingeht und ggf. Pulsationseffekte eingehen, die empirisch ermittelt wurden. Diese Berechnung des Gasmassenstroms mp_ab hat den Vorteil, daß sie auch ohne die Bereitstellung eines gemessenen Saugrohrdruckes möglich ist, allein auf der Grundlage der berechneten Partialdrücke. Dies ermöglicht eine kostengünstige und zuverlässige Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird der aus dem Saugrohr abströmende Frischgas-Anteil mp_fg_ab an dem Gasmassenstrom mp_ab unter Verwendung des Partialdrucks des Frischgas-Anteils ps_fg, des Partialdrucks des Abgas-An­ teils ps_ag und des Gasmassenstroms mp_ab berechnet. Hierzu wird zunächst ein Anteilsfaktor c_agr eingeführt, der sich wie folgt berechnet:
Zur Bestimmung des Frischgas-Anteils an diesem Massenstrom wird davon ausgegangen, daß die Aufteilung der Massenströme in den Zylinder (Frischgas und Abgas) analog zur Aufteilung der Partialdrücke erfolgt. Demnach berechnet sich der aus dem Saugrohr abströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_ab zu:
mp_fg_ab = (1 - c_agr) × mp_ab.
Entsprechend gilt für den aus dem Saugrohr abströmenden Abgas-Massenstrom mp_ag_ab:
mp_ag_ab = (1 - c_agr) × mp_ab.
Es ist vorteilhaft, daß durch diese einfache und zuverlässige Berechnung sowohl der Frischgas-Anteil als auch der Abgas-Anteil an dem aus dem Saugrohr abströmenden Gasmassenstrom bestimmt werden kann. Durch die getrennte Erfassung von Frischgas- und Abgas-Anteil ist es möglich, den Verbrennungsmotor umweltschonend und energiesparend jeweils in seinem optimalen Arbeitspunkt zu betreiben.
Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird die relative Frischgas-Füllung r1 des Verbrennungsmotors unter Verwendung des Frischgasanteils mp_fg_ab sowie permanenter MLTHZ und transienter nmot, ZYLZA Motordaten berechnet. Die Berechnung der relativen Frischgas-Füllung r1 hat den Vorteil, daß die Kraftstoff-Zuführung immer aufgrund aktueller Motordaten erfolgen kann, beispielsweise aufgrund der momentan in Betrieb befindlichen Anzahl der aktiven Zylinder des Motors. Dadurch wird die Kraftstoff-Ein­ sparwirkung und die Umweltverträglichkeit während des Betriebs des Verbrennungsmotors weiter erhöht sowie dessen Lebenserwartung und Leistungsvermögen weiter verbessert.
Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird eine aus der Bernoulli-Gleichung abgeleitete Funktion für die Berechnung eines Gasmassenstroms über eine Drossel angewandt, wobei der Druck nach der Drossel jeweils dem Saugrohr-Druck ps entspricht. Dies hat den Vorteil, daß wahlweise einige der prinzipiell geeigneten Meßgrößen verwendet werden können und die jeweils nicht verfügbaren Größen mittels dieser abgeleiteten Funktion berechnet werden können. Dies erlaubt eine große Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl bei der vorrichtungstechnischen Realisierung dieses Verfahrens als auch während des Betriebs eines solchen Verfahrens. Darüber hinaus wird durch diese Flexibilität der Konfiguration auch die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht.
Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung werden auch Gasflüsse über einen Leerlaufsteller mp_lls, Gasflüsse über ein Tankentlüftungsventil mp_tev, Gasflüsse über ein Abgasrückführventil mp_agr und bei einem aufgeladenen Varbrennungsmotor auch der Ladedruck pld bei der Bestimmung der Gasfüllung des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Dies hat den Vorteil, daß die Genauigkeit der ermittelten Frischgasfüllung des Verbrennungsmotors weiter erhöht wird und somit die vorstehend genannten Vorteile verstärkt auftreten.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors, der ein Saugrohr aufweist, wobei die Vorrichtung Meßwertaufnehmer und elektronische Rechenmittel aufweist, die durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Frischgas-Massenstrom mp_fg einen Partialdruck eines Frischgas-Anteils ps_fg im Saugrohr berechnet, die durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Abgas-Massenstrom mp_ab einen Partialdruck eines Abgas-Anteils ps_ab im Saugrohr berechnet, und die unter Verwendung des Partialdrucks des Frischgas-Anteils ps_fg und des Partialdrucks des Abgas-Anteils ps_ab eine Frischgas-Füllung r1 des Verbrennungsmotors ermittelt. Die Erfindung umfaßt insbesondere eine Vorrichtung, die ein Verfahren wie vorstehend beschrieben ausführt. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung bietet alle Vorteile, die vorstehend bereits für das erfindungsgemäße Verfahren benannt wurden. Insbesondere bietet die Vorrichtung den Vorteil eines geringen Kraftstoffverbrauchs, eines umweltverträglichen Betriebes des Verbrennungsmotors sowie einer hohen Leistungsfähigkeit und einer langen Lebensdauer der Vorrichtung und des Verbrennungsmotors.
Die Lehre der Erfindung umfaßt auch ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben bzw. ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung, die ein Verfahren wie vorstehend beschrieben ausführen kann. Die vorstehend für die erfindungsgemäße Vorrichtung benannten Vorteile gelten für das Kraftfahrzeug entsprechend.
Die Lehre der Erfindung umfaßt auch einen Datenträger, der ein Steuerprogramm enthält zum Ausführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens sowie einen Datenträger, der Parameter beinhaltet, die zum Ausführen eines solchen Verfahrens bzw. zum Steuern einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung erforderlich oder vorteilhaft sind. Ein solcher Datenträger kann insbesondere in Form eines Speichermittels ausgeführt sein, wobei die Speicherung mechanisch, optisch, magnetisch, elektronisch oder auf sonstige Weise erfolgen kann. Insbesondere sind elektronische Speichermittel, wie beispielsweise ein ROM (Read Only Memory, Nur-Lese-Speicher), PROM, EPROM oder EEPROM einsetzbar, die in entsprechende Steuer-Vorrichtungen eingesetzt bzw. eingesteckt werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Ein Weg zum Ausführen der beanspruchten Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild der Systemanordnung;
Fig. 2 zeigt das Modell der Füllungserfassung;
Fig. 3 zeigt die Frischgas-Massenströme ins Saugrohr bei einem Saugmotor;
Fig. 4 zeigt die Frischgas-Massenströme im Saugrohr bei einem Turbomotor;
Fig. 5 zeigt den Abgasmassenstrom ins Saugrohr;
Fig. 6 zeigt die Berechnung der relativen Füllung.
Die Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild der Systemanordnung. Die Umgebungsluft tritt auf der Eingangsseite unter dem Druck pu und der Temperatur tu in das Saugrohr 100 ein. Ein Heißfilm-Luftmassensensor 101 bestimmt den Gasmassenstrom mp_hfm an dieser Stelle des Saugrohrs. Nach dem Heißfilm-Luft­ massensensor (HFM) folgt ein Turbolader 102. Zwischen dem Turbolader 102 und der Drosselklappe 103 weist das Saugrohr 100 ein Volumen VLD auf. In diesem Volumen herrscht ein Druck pld sowie eine Temperatur tld. Zwischen der Drosselklappe 103 und dem Einlaßventil 104 beträgt das Volumen des Saugrohrs VS. An dieser Stelle herrscht ein Druck ps sowie eine Temperatur ts. Die in dem Bereich des Saugrohrs zwischen der Drosselklappe 103 und dem Einlaßventil 104 einströmende Gasmenge setzt sich zusammen aus dem Gasstrom mp_dk des Gasflusses über die Drosselklappe 103, einem Gasstrom mp_lls eines Leerlaufstellers 105, dem Gasfluß mp_tev eines Tankentlüftungsventils 106 sowie dem Gasstrom mp_agr eines Abgasrückführungsventils 107. Aus diesem Bereich des Saugrohrs strömt das Gas bei Öffnung des Einlaßventils 104 in den Verbrennungsraum 108 des Zylinders 111. Auf der Auslaßseite befindet sich zwischen einem Auslaßventil 109 und einem Abgaskatalysator 110 ein Bereich, in dem das Abgasrückführventil 107 angeschlossen ist und in dem ein Druck pag herrscht. Nach dem Katalysator 110 herrscht wiederum der Umgebungsdruck pu. Das Tankentlüftungsventil 106 besitzt eine Verbindung zum Kraftstoffbehälter 112.
Die Fig. 2 zeigt das Modell der Füllungserfassung. Der zuströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_zu wird über der Zeit integriert 201 und anschließend multipliziert 202 entsprechend der Gasgleichung, so daß der Frischgas-Par­ tialdruck ps_fg berechnet wird. Entsprechend wird der zuströmende Abgas-Massenstrom mp_ag_zu integriert 203 und entsprechend der Gasgleichung multipliziert 204, so daß der Abgas-Partialdruck ps_ab berechnet wird. Aus den beiden Partialdrücken für das Frischgas ps_fg und das Abgas ps_ag wird in der dargestellten Stellung des Schalters B_fe_dss wird der Druck im Saugrohr ps durch Addition 205 berechnet. Parallel dazu wird aus der Drehzahl n und der Nockenwellenverstellung NWS ein Korrekturwert p_iagr berechnet 206. Dieser Korrekturwert berücksichtigt die systeminhärente Abgasrückführung aufgrund der Ventilstellungen während des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors. Der so ermittelte Korrekturwert p_iagr wird von dem Saugrohr-Druck ps subtrahiert 207. Der hieraus resultierende effektive Saugrohrdruck wird anschließend mit einem Faktor multipliziert 208, wobei sich dieser Faktor aus der Pumpengleichung und einer empirisch gewonnenen Funktion zusammensetzt, welche die Pulsationseffekte in Abhängigkeit der Drehzahl n und der Nockenwellenverstellung MWS zusammensetzt. Die Pumpengleichung berücksichtigt das Hubvolumen VH, die Drehzahl n, die Gaskonstante R und die Temperatur im Saugrohr ts. Als Ergebnis dieser Multiplikation 208 erhält man den Gesamtmassenstrom mp_ab in dem Zylinder. Parallel dazu wird aus dem Partialdruck des Frischgases ps_fg und dem Partialdruck des Abgases ps_ag ein Anteilfaktor c_agr berechnet 209. Unter Verwendung dieses Anteilsfaktors c_agr wird aus dem abströmenden Gasmassenstrom mp_ab der abströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_ab berechnet 210 und der abströmende Abgas-Massenstrom mp_ag_ab 211 berechnet.
Für den Fall, daß der Saugrohrdruck ps meßtechnisch zur Verfügung steht, kann über die Bedingung B_fe_dss und den zugehörigen Schaltern anstelle des aus den Partialdrücken ps_fg und ps_ag berechneten Saugrohrdrucks der gemessene Saugrohrdruck ps_dss verwendet werden. Da in diesem Fall die stationäre Stabilität des Integrators aufgrund der unterbrochenen Rückkoppelungen nicht automatisch gewährleistet ist, wird eine Ergänzung notwendig, wobei durch einen Vergleich des gerechneten Saugrohrdrucks mit dem gemessenen Saugrohrdruck eine sich ergebende Differenz als ein Fehler interpretiert wird und dieser über einen Integral-Regler auf den Rückkopplungszweig des abströmenden Frischgas-Massenstroms mp_fg_ab eingerechnet wird.
Die Vorgehensweise bei der Berechnung der für die obige Funktion benötigten Eingangsgrößen, nämlich des Frisch­ gas-Massenstroms ins Saugrohr mp_fg_zu sowie des Abgasmassenstroms ins Saugrohr mp_ag_zu basiert auf der aus der Literatur bekannten Drosselfunktion, die aus der Bernoulli-Gleichung für kompressible Medien abgeleitet ist. Gemäß dieser Drosselfunktion gilt:
Diese Drosselfunktion bedeutet, daß sich der Luftmassenstrom mp über die Drosselstelle berechnet aus einer freien Querschnittsfläche f(A) multipliziert mit einem Faktor ft für die Temperaturkompensation multipliziert mit einem Faktor fp für die Druckkompensation und multipliziert mit einer normierten Durchflußfunktion psi_n, welche den Einfluß einer über- und unterkritischen Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt. Der Druck pn nach der Drosselstelle ist dabei jeweils gleich dem Saugrohrdruck ps.
Auf der Frischgasseite muß zwischen Saugmotoren und aufgeladenen Motoren, sogenannten Turbomotoren, unterschieden werden. Gemeinsam ist dabei, daß für jedes Drosselorgan über eine Kennlinie ein Gasstrom ermittelt wird, der unter Normbedingungen in Bezug auf Druck und Temperatur vor der Drossel über die betrachtete Drossel fließt.
Die Fig. 3 zeigt die Frischgas-Massenströme ins Saugrohr bei einem Saugmotor. Zunächst besteht die Möglichkeit, wie in der Fig. 3 gemäß der Schalterstellung B_fe_wdk auch dargestellt, daß der zuströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_zu direkt mittels eines Heißfilm-Luftmassensensors HFM gemessen wird mp_hfm. Einen Einfluß hat in der dargestellten Schalterstellung dann lediglich noch die Tankentlüftung ta_te, wobei dieser Einfluß über eine Drosselfunktion 301 in einen Gasmassenfluß mp_tev_max umgerechnet wird, und anschließend mit den Gewichtungsfaktoren der Umgebungstemperatur ftu, dem Umgebungsdruck fpu und der normierten Durchflußfunktion psi_n 304 gewichtet wird. Wird der Schalter B_fe_wdk umgelegt, berechnet sich der zuströmende Frischgas-Massen­ strom mp_fg_zu wie folgt: Die Drosselklappen-Stellung wdk wird über eine Drosselfunktion 302 in einen maximalen Fluß über die Drosselklappe mp_dk_max umgerechnet; ebenso wird der Fluß über einen ggf. vorhandenen Leerlaufsteller über eine Drosselfunktion 303 in einen maximalen Gasfluß über den Leerlaufsteller mp_lls_max umgerechnet. Die beiden maximalen Gasflüsse werden addiert und anschließend zu dem maximalen Gasfluß über das Tankentlüftungsventil mp_tev_max addiert. Anschließend wird der derart aufsummierte Gasmassenstrom mit den Gewichtungsfaktoren der Temperatur ftu, des Drucks fpu und der normierten Durchflußfunktion psi_n gewichtet. Am Ende dieser Berechnungen resultiert ein zuströmender Frisch­ gas-Massenstrom mp_fg_zu.
Die Fig. 4 zeigt die Frischgas-Massenströme ins Saugrohr bei einem Turbomotor. Im Unterschied zur Fig. 3 kommt hierbei als zusätzliches dynamisches System das Volumen zwischen dem Lader und der Drosselklappe mit der Zustandsgröße Ladedruck pld hinzu. Für dieses Volumen kann ebenfalls über eine Bilanzgleichung eine Differentialgleichung für den Druck im Volumen, hier den Ladedruck, hergeleitet werden. Die Drosselfunktion kann ebenfalls wieder angewendet werden, nun allerdings unter Berücksichtigung der veränderten Situation in Bezug auf den Druck vor der Drosselklappe, für den der Ladedruck anstelle des Umgebungsdruckes anzusetzen ist. Als weiter signifikanter Unterschied fällt auf, daß mit der Konfiguration nach Fig. 4 aus dem errechneten Gasmassenstrom mp_dk + mp_lls und dem Signal des Heißfilm-Luft­ massensensors mp_hfm durch entsprechende Differenzbildung 401 und nachgeschaltete Integration über der Zeit 402 und Gewichtung entsprechend der Gasgleichung 403 der Ladedruck pld ermittelt werden kann. Als wesentliches Ergebnis steht allerdings auch bei der in der Fig. 4 dargestellten Konfiguration am Ausgang der zuströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_zu als Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Die Fig. 5 zeigt den Abgas-Massenstrom in das Saugrohr. Der Abgasmassenstrom mp_ag_zu wird aus dem Signal des Abgas-Rückstromventils ta_agr über eine Drosselfunktion 501 in einen maximalen Massenstrom über das Abgasventil mp_ag_max umgewandelt und anschließend mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren für die Temperatur ftag, den Druck fpag und die normierte Strömungsfunktion psi_n gewichtet. Für die Bestimmung der Temperatur des zuströmenden Abgases tag_zu dient ein einfaches Modell, welches den Wärmeübergang an der Wand des Verbindungsrohres zum Saugrohr berücksichtigt. Zunächst wird die Temperatur tag des Abgases mittels dem abströmenden Frischgas-Massen­ strom mp_fg_ab über die Drosselfunktion 502 ermittelt. Eine anschließende Differenzbildung 507 unter Verwendung der Umgebungstemperatur tu führt zu einem Differenzwert tag-tu. Dieser Differenzwert wird mit dem mit der Funktion 503 bewerteten zuströmenden Abgas-Massen­ strom mp_ag_zu gewichtet 503 und anschließend von der Temperatur des Abgases tag subtrahiert 504. Der sich daraufhin einstellende Wert wird abschließend mit einer Funktion 506 bewertet und es resultiert eine Temperatur des zuströmenden Abgases tag_zu.
Die Fig. 6 zeigt die Berechnung der relativen Gasfüllung r1 aus dem abströmenden Frischgas-Massenstrom mp_fg_ab. Der abströmende Frischgas-Massenstrom mp_fg_ab wird durch die Motorendrehzahl nmot dividiert 601 und anschließend mit einem Faktor multipliziert 602, wobei der Faktor die Luftmasse MLTHZ in einem Zylinder unter Normbedingungen (T=273 Grad Kelvin, p = 1013 mbar) sowie die Anzahl der aktiven Zylinder ZYLZA des Motors berücksichtigt. Aus dieser Berechnung resultiert die relative Füllung r1 eines Zylinders mit einer Frischgasmasse.
Abkürzungen
B_fe_wdk Schalter, Schaltsignal
c_agr Anteilsfaktor Frischgas/Abgas
f(A) freie Querschnittsfläche einer Drosselstelle
fp Faktor Druckkompensation
fpag Gewichtungsfaktor Abgas-Druck
fpu Gewichtungsfaktor Umgebungsdruck
fpld Gewichtungsfaktor Lader-Druck
ft Faktor Temperaturkompensation
ftag Gewichtungsfaktor Abgas-Temperatur
ftu Gewichtungsfaktor Umgebungstemperatur
ftld Gewichtungsfaktor Lader-Temperatur
K Berechnungskonstante
m (Mol-)Masse des Gases
m_ag Masse Abgas
m_fg Masse Frischgas
mp Luftmassenstrom über eine Drosselstelle
mp_ab aus dem Saugrohr abströmender Gasmassenstrom
mp_ag Abgas-Massenstrom
mp_ag_ab abströmender Abgas-Massenstrom
mp_ag_max maximal-zuströmender Abgas-Massenstrom
mp_ag_zu zuströmender Abgas-Massenstrom
mp_agr Gasfluß über ein Abgas-Rückführventil
mp_dk_max maximaler Fluß über die Drosselklappe
mp_fg Frischgas-Massenstrom
mp_fg_ab abströmender Frischgas-Massenstrom
mp_fg_zu zuströmender Frischgas-Massenstrom
mp_hfm Luftmassenstrom, vom Heißfilm-Sensor gemessen
mp_lls Gasfluß über einen Leerlaufsteller
mp_lls_max maximaler Gasfluß über einen Leerlaufsteller
mp_max maximaler Luftmassenstrom über eine Drosselstelle
mp_tev Gasfluß über ein Tank-Entlüftungsventil
mp_tev_max maximaler Gasfluß über ein Tank-Ent­ lüftungsventil
MLTHZ Luftmasse in einem Zylinder bei Normbedingungen
n, nmot Drehzahl
NWS Nockenwellenverstellung
p Druck
p_iagr Korrekturwert der internen Abgasrückführung
pld Ladedruck
pn Druck nach der Drosselstelle
ps Druck im Saugrohr
ps_ab Partialdruck-Abgas
ps_fg Partialdruck-Frischgas
psi_n normierte Durchflußfunktion (0 < psi_n < 1)
pv Druck vor der Drosselstelle
PV_NORM Bezugsgröße
r1 relative Füllung
R Gaskonstante
tld Temperatur Lader
T Temperatur
TS, ts Temperatur Saugrohr
tv Temperatur vor der Drosselklappe
TV_NORM Bezugsgröße
V Volumen
VH Hub-Volumen
VLD Volumen Lader
VS Volumen Saugrohr
wdk Drosselklappen-Stellung
ZYLZA Anzahl der aktiven Zylinder.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors, der ein Saugrohr aufweist, wobei sich in dem Saugrohr ein Gasgemisch aus einem Frischgas (fg) und einem Abgas (ag) befindet, wobei aus dem Saugrohr ein Gasmassenstrom (mp_ab) abströmt und wobei in dem Saugrohr ein Saugrohr-Druck (ps) herrscht, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Ermitteln eines Partialdrucks des Frischgas-Anteils (ps_fg) an dem Gasmassenstrom (mp_ab) durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Frischgas-Massenstrom (mp_fg), und
  • - Ermitteln eines Partialdrucks des Abgas-Anteils (ps_ag) an dem Gasmassenstrom (mp_ab) durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Abgas-Massenstrom (mp_ag).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Berechnen des Saugrohr-Drucks (ps) aus der Summe des Partialdrucks des Frischgas-Anteils (ps_fg) und des Partialdrucks des Abgas-Anteils (ps_ag).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ermitteln des Saugrohr-Drucks (ps) unter Verwendung eines Meßwertaufnehmers.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Ermitteln des Gasmassenstroms (mp_ab) aus dem Saugrohr-Druck (ps).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Berechnen eines aus dem Saugrohr abströmenden Frischgas-Anteils (mp_fg_ab) an dem Gasmassenstrom (mp_ab) unter Verwendung des Partialdrucks des Frischgas-Anteils (ps_fg), des Partialdrucks des Abgas-Anteils (ps_ag) und des Gasmassenstroms (mp_ab).
6. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Berechnen einer Frischgas-Füllung (r1) des Verbrennungsmotors unter Verwendung des Frischgas-An­ teils (mp_fg_ab) sowie permanenter (MLTHZ) und transienter (nmot, ZYLZA) Motordaten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Verwendung einer aus der BERNOULLI-Gleichung abgeleiteten Funktion für die Berechnung eines Gasmassenstroms über eine Drossel, wobei der Druck nach der Drossel dem Saugrohr-Druck (ps) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berücksichtigen von Gasflüssen über einen Leerlaufsteller (mp_lls), ein Tank-Ent­ lüftungsventil (mp_tev) und ein Abgas-Rück­ führventil (mp_agr) bei der Bestimmung der Gasfüllung des Verbrennungsmotors.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berücksichtigen eines Ladedrucks (pld) bei der Bestimmung der Gasfüllung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors.
10. Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors, der ein Saugrohr aufweist, wobei die Vorrichtung Meßwertaufnehmer und elektronische Rechenmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Frisch­ gas-Massenstrom (mp_fg) einen Partialdruck eines Frisch­ gas-Anteils (ps_fg) im Saugrohr berechnet, durch Aufstellen einer Massenbilanz für einen Abgas-Massenstrom (mp_ab) einen Partialdruck eines Abgas-Anteils (ps_ab) im Saugrohr berechnet, und unter Verwendung des Partialdrucks des Frischgas-Anteils (ps_fg) und des Partialdrucks des Abgas-Anteils (ps_ab) eine Frischgas-Füllung (r1) des Verbrennungsmotors ermittelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.
12. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11.
13. Datenträger, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenträger ein Steuerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 beinhaltet.
14. Datenträger, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenträger Parameter (MLTHZ) beinhaltet, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erforderlich oder vorteilhaft sind.
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