DE19829483C2

DE19829483C2 - Einrichtung zum Bestimmen einer Größe, die die Luftmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine charakterisiert

Info

Publication number: DE19829483C2
Application number: DE19829483A
Authority: DE
Inventors: Michael Henn; Hong Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: FR2780754A1; DE19829483A1; FR2780754B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen einer Größe, die die Luftmasse in einem Zylinder einer Brennkraft maschine charakterisiert, gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1. Die Größe, die die Luftmasse in dem Zylinder der Brennkraftmaschine charakterisiert, ist insbesondere ein Luftmassenstrom in den Zylinder oder eine Luftmasse, die pro Arbeitsspiel in den Zylinder strömt.

Aus der WO 96 32579 A1 ist eine Einrichtung zum Bestimmen der Luftmasse bekannt, die in die Zylinder einer Brennkraftma schine einströmt. Die Einrichtung umfaßt ein dynamisches Mo dell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine, das aus Glei chungen für die Massenstrombilanzen im Ansaugtrakt und der Durchflußgleichungen idealer Gase an Drosselstellen abgelei tet ist. Eingangsgrößen des dynamischen Modells des Ansaug traktes sind die Meßgrößen Drehzahl und Öffnungsgrad der Drosselklappe.

Die bekannte Einrichtung bestimmt für Brennkraftmaschinen, die mit Kraftstoffeinspritzung arbeiten, präzise den Luft massenstrom in einen Zylinder der Brennkraftmaschine. Brenn kraftmaschinen, deren Brennstoff statt flüssigem Kraftstoff gasförmiger Kraftstoff ist, weisen sehr niedrige Abgasemis sionen und einen hohen Wirkungsgrad auf. Der gasförmige Kraftstoff wird über eine Einblas-Vorrichtung in den Ansaug trakt zugemessen (DE 44 15 377 A1).

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Einrichtung zum Bestimmen einer Größe, die die Luftmasse in einem Zylin der einer Brennkraftmaschine charakterisiert, so weiterzubil den, daß diese Größe auch bei einem Betrieb der Brennkraftma schine mit gasförmigem Kraftstoff präzise zu bestimmen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, die eine Einrichtung zum Bestimmen des Luftmassen stroms in den Zylinder der Brennkraftmaschine umfaßt und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zum Bestimmen des Luftmassenstroms in den Zylinder gemäß Fig. 1.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Saugstutzen 10, in dem eine Drosselklappe 11 ange ordnet ist. Ferner ist eine Einblasvorrichtung 12 zum Zumes sen von gasförmigen Kraftstoff (z. B. Erdgas) in dem Ansaug trakt angeordnet. Der gasförmige Kraftstoff wird vorzugsweise mit einem Druck von etwa zwei bis drei Bar zugemessen. Die Brennkraftmaschine umfaßt ferner einen Motorblock 2, der ei nen Zylinder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 gekoppelt.

Ein Zylinderkopf 3 ist vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31 angeordnet ist. Der Ventiltrieb kann auch eine Vorrichtung zum Verändern des Hubverlaufs der Einlaß- und Auslaßventile umfassen. Ferner ist in dem Zylinderkopf 3 eine Zündkerze 32 eingebracht.

Die Brennkraftmaschine ist in der Fig. 1 mit einem Zylinder 20 dargestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder umfassen. Ein Abgastrakt 4 ist vorgesehen, in dem ein Katalysator 40 und eine Sauerstoffsonde 41 angeordnet sind.

Einer Steuereinrichtung 5 für die Brennkraftmaschine sind Sensoren zugeordnet, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuerein richtung 5 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße Stellsignale, die ein oder mehrere Stellgeräte steuern. Die Sensoren sind ein Fahrpedalsensor 61, der die Pedalstellung PV des Fahrpedals 6 erfaßt, ein Luftmassenmesser 14 der einen Meßwert _HFM des Luftmassenstroms ermittelt und/oder ein Saugrohrdrucksensor 15, der einen Meßwert p_M eines Saugrohr drucks erfaßt, ein Positionssensor, der einen Öffnungsgrad α_DK der Drosselklappe 11 erfaßt, ein Temperatursensor 16, der eine Ansauglufttemperatur T_I erfaßt, ein Drehzahlsensor 24, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt, die Sauer stoffsonde 41, die den Restsauerstoffanteil des Abgases er faßt und die diesem den Istwert λ_AV des Luftverhältnisses zu ordnet. Je nach Ausführungsform der Steuereinrichtung 5 kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder es kön nen auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Die Steuereinrichtung 5 umfaßt ferner eine Einrichtung 51 zum Bestimmen des Luftmassenstroms in den Zylinder 20. Die Ein richtung 51 umfaßt ein dynamisches Modell 52 des Ansaugtrak tes und ermittelt einen Schätzwert _CYL des Luftmassenstroms in den Zylinder 20. Die Einrichtung 51 ist weiter unten an hand von Fig. 2 beschrieben.

Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer An trieb, ein elektromagnetischer Antrieb oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder liegen beispielsweise in Form eines Ventils der Einblasvorrichtung 12 oder der Zündkerze 32 vor. Auf die Stellgeräte wird im folgen den jeweils mit dem zugeordnetem Stellglied Bezug genommen.

Die Steuereinrichtung 5 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem, über das sie Da ten austauschen können.

In Fig. 2 ist der erfindungsrelevante Teil der Steuerein richtung 5 und zwar die Einrichtung 51 zum Bestimmen des Luftmassenstroms in den Zylinder dargestellt. Für den Schätz wert _M des Saugrohrdrucks läßt sich folgende Differential gleichung aus der Zustandsgleichung idealer Gase, also der Massenstrombilanz aufstellen:

Dabei bezeichnet R_L die allgemeine Gaskonstante, V_I das Volu men des Ansaugtraktes und _DK einen Schätzwert des Luft massenstroms an der Drosselklappe 11.

Der Schätzwert _DK des Luftmassenstroms an einer Drossel klappe 11 wird aus der Durchflußgleichung idealer Gase durch Drosselstellen abgeleitet. Strömungsverluste, die an der Drosselklappe 11 auftreten, werden durch einen reduzierten Strömungsquerschnitt A_RED berücksichtigt. Für den Schätzwert _DK des Luftmassenstroms an der Drosselklappe 11 gilt:

für unterkritische Druckverhältnisse und

ψ = ψ_crit = const. (F4)

für überkritische Druckverhältnisse.

Dabei bezeichnet κ den Adiabaten-Exponenten, _AMB den Schätz wert des Umgebungsdrucks, also des Außenluftdrucks, ψ die Durchflußfunktion für die Drosselklappe und ψ_CRIT einen kon stanten Wert der Durchflußfunktion ψ für überkritische Druckverhältnisse.

Die Durchflußfunktion ψ kann in Abschnitte zerlegt werden, innerhalb derer sie durch eine Polygonzug-Approximation aus reichend genau dargestellt wird. Damit gilt:

Die Werte für den Offset s₀ und die Steigung s₁ sind in Ta bellen abhängig von dem Verhältnis des Schätzwertes _M des Saugrohrdrucks zu dem Schätzwert _AMB des Umgebungsdrucks ab gelegt.

Der Term

wird vorzugsweise durch einen Wert β approximiert, der aus einem ersten Kennfeld KF1 in Abhängigkeit von der Ansaugluft temperatur T_I ermittelt wird. Somit ergibt sich durch Einset zen der Beziehung (F5), (F6) in die Beziehung (F2) die fol gende Beziehung

Ein Schätzwert _CYL des Luftmassenstroms in dem Zylinder 20 läßt sich analytisch nur schwer bestimmen, da er stark vom Ladungswechsel abhängt. Die Füllung des Zylinders 20 ist weitgehend durch den Saugrohrdruck, die Drehzahl N und einer Ventilüberschneidung der Gaswechselventile (Ein- und Auslaß ventile) der Brennkraftmaschine bestimmt, falls der eingebla sene Kraftstoffmassenstrom _K nicht berücksichtigt wird. Bei konstanter Drehzahl N und Ventilüberschneidung ist der Luft massenstrom in den Zylinder 20 direkt proportional zu dem Saugrohrdruck. Mit einem linearen Ansatz der Form

kann der Schätzwert _CYL des Luftmassenstroms in den Zylinder 20 mit guter Genauigkeit berechnet werden. Das Steigungsglied γ₁ das Absolutglied γ₀ sind dabei unter Berücksichtigung aller wesentlicher Einflußfaktoren Funktionen der Drehzahl N, der Geometrie des Ansaugtraktes, der Anzahl der Zylinder 20, der Ventilüberschneidung sowie der Ansauglufttemperatur T_I. Die Abhängigkeit der Werte des Absolutgliedes γ₀ und des Stei gungsgliedes γ₁ kann dabei über stationäre Messungen ermit telt werden und in einem zweiten und dritten Kennfeld KF2, KF3 gespeichert werden.

Gasförmig zugemessener Kraftstoff hat eine wesentlich gerin gere Dichte als Kraftstoff, der flüssig zugemessen wird. Sind die Massen des gasförmigen Kraftstoffs und der Luft in einem stöchiometrischen Verhältnis bei Normbedingungen (z. B. Tem peratur = 20°C), so haben die Volumina des gasförmigen Kraft stoffs und der Luftmasse die gleiche Größenordnung. Für den eingeblasenen Kraftstoffmassenstrom _K gilt folgende Bezie hung:

wobei L_st den stöchiometrischen Luftbedarf zur Verbrennung des Kraftstoffs bezeichnet, und λ entweder der Sollwert λ_SP oder der Istwert λ_AV des Luftverhältnisses ist. Das Luftverhältnis ist definiert durch den Quotienten der Luftmasse, die pro Arbeitsspiel in den Zylinder 20 strömt, und der Luftma sse, die zu der vollständigen Verbrennung des zugemessenen Kraftstoffs notwendig ist (stöchiometrische Luftmasse). Das Luftverhältnis kann aber ebenso in einer anderen dem Fachmann bekannten Weise definiert sein, so zum Beispiel als das Luft- Kraftstoff-Verhältnis. Für die zeitliche Ableitung _K des Volumens des Kraftstoffs gilt die Beziehung

wobei ρ_K die Dichte des Kraftstoffs ist.

Der Anteil _Deff des Luftmassenstroms der aufgrund der Ver drängung durch den Kraftstoff nicht in den Zylinder 20 ge langt, ergibt sich aus

wobei aus (F9) und (F11) folgt:

Aus der Beziehung (F8) unter Berücksichtigung des Volumenef fektes des gasförmigen Kraftstoffes ergibt sich dann

(F12) eingesetzt in (F13) ergibt:

wobei ein Korrekturfaktor K(λ) gegeben ist durch

Der Korrekturfaktor K(λ) wird vorteilhafterweise aus einem Kennfeld abhängig von dem Luftverhältnis λ und dem Verhältnis der Dichten ρ_L und ρ_K der Ansaugluft und des Kraftstoffs er mittelt. Wird eine Brennkraftmaschine in den meisten Be triebszuständen mit einem nahezu konstanten Luftverhältnis betrieben, so kann einfach zum Ermitteln des Korrekturfaktors K(λ) der Istwert λ_AV herangezogen werden. Dies ist jedoch nachteilig, wenn die Brennkraftmaschine mit variierendem Luftverhältnis λ betrieben wird, da der Istwert λ_AV des Luft verhältnisses λ von der Sauerstoffsonde 41 erst mit einer Verzögerungszeit erfaßt wird. Besonders vorteilhaft ist es dann den Korrekturfaktor K(λ) abhängig von dem Sollwert λ_SP des Luftverhältnisses λ zu ermitteln. Dazu ist kein zusätzli cher Sensor notwendig und der Luftmassenstrom in den Zylinder kann verzögerungsfrei genau bestimmt werden. Durch das zu sätzliche Ermitteln des Korrekturfaktors K(λ) abhängig von dem Verhältnis der Dichten ρ_L, ρ_K der Ansaugluft und des Kraftstoffs kann einfach auf ein Bestimmen des Drucks und der Temperatur verzichtet werden.

Durch Einsetzen der Beziehungen (F7) und (F14) in die Bezie hung (F1) ergibt sich dann:

vorzugsweise wird die Differentialgleichung der Beziehung (F16) zur Realisierung des Modells auf einem Digitalrechner mit Hilfe einer numerischen Lösungsmethode, wie z. B. der Trapezregel gelöst. Dabei wird als Abtastzeit vorzugsweise die Segmentzeit T_AB. Gewählt, d. h. der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Totpunkte verschiedener Zylin der, die in der Zündfolge benachbart sind. Das Bezugszeichen n bezeichnet dabei jeweils den aktuellen Abtastzeitpunkt und n-1 den vorhergehenden Abtastzeitpunkt. Damit gilt für den Schätzwert _M des Ansaugdruckes im aktuellen Zeitintervall die Beziehung (F17):

Fig. 2 zeigt die bevorzugte Realisierung der Einrichtung 51 zum Bestimmen des Luftmassenstroms in dem Zylinder 20. In ei nem Block 53 wird aus einem ersten Kennfeld der reduzierte Strömungsquerschnitt A_RED an der Drosselklappe 11 abhängig von dem Öffnungsgrad α_DK der Drosselklappe 11 und der Drehzahl n ermittelt. In einem Block 54 wird abhängig von der Drehzahl und gegebenenfalls den weiteren Einflußgrößen das Steigungs glied γ₁ und das Absolutglied γ₀ aus einem zweiten und drit ten Kennfeld KF2, KF3 abhängig von der Drehzahl N ermittelt. In einem Block 55 wird das Verhältnis der Dichten ρ_L, ρ_K der Ansaugluft und des Kraftstoffs ermittelt. Dieses Verhältnis ist einfacherweise abhängig von der Kraftstoffart vorgegeben und fest gespeichert. Der Block 52 umfaßt das Modell des An saugtraktes und beinhaltet die Beziehungen (F14), (F16) und (F17), mit denen jeweils die Schätzwerte _CYL und _M des Luftmassenstroms in den Zylinder 20 und des Saugrohrdrucks ermittelt werden. Vorzugsweise ist noch ein Integrator 53 vorgesehen, der das zeitliche Integral des Schätzwertes _CYL des Luftmassenstroms in den Zylinder 20 berechnet, das dann ein Schätzwert _CYL der Luftmasse im Zylinder 20 pro Arbeits spiel der Brennkraftmaschine ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist statt des Verhältnisses der Dichten das Verhältnis der molaren Massen der Luft und des Kraftstoffs vorgegeben und in der Beziehung (F15) das Verhältnis der Dichten durch das Verhältnis der molaren Mas sen der Luft und des Kraftstoffs ersetzt.

Ein Modell des Ansaugtraktes und einer Abgasrückführung ist auch in dem Dokument WO 97 35106 A2 offenbart, auf dessen Inhalt hiermit diesbezüglich verwiesen wird.

Claims

1. Einrichtung zum Bestimmen einer Größe, die die Luftmasse in einem Zylinder (20) einer Brennkraftmaschine charakterisiert, mit einem dynamischen Modell (52) des Ansaugtraktes (1) der Brennkraftmaschine, das abhängt von den Meßgrößen Drehzahl (N) und Öffnungsgrad (α_DK) der Drosselklappe (11), dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Modell (52) bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit gasförmigem Kraftstoff zusätzlich abhängt von mindestens einer Größe, die von dem Kraftstoff abgeleitet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe, die von dem Kraftstoff abgeleitet ist, das Luftverhältnis (λ_SP, λ_AV) der Luftmasse pro Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine in dem Zylinder und der zu einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff benötigten Luftmasse ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe, die von dem Kraftstoff abgeleitet ist, der Sollwert (λ_SP) des Luftverhältnisses ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe, die von dem Kraftstoff abgeleitet ist, das das Verhältnis der Dichten (ρ_L, ρ_K) der Luft im Ansaugtrakt und des gasförmigen Kraftstoffs ist.