DE19853817A1

DE19853817A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19853817A1
Application number: DE1998153817
Authority: DE
Inventors: Andreas Sterner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 1998-11-21
Filing date: 1998-11-21
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-22
Also published as: DE19853817C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung eines in den Brennraum eintretenden Gasmassenstromes, bei dem der in den Brennraum eintretende Gasmassenstrom modelliert wird, indem zunächst eine Temperatur des in den Brennraum eintretenden Gasmassenstromes bestimmt wird und anschließend eine Zuordnung eines Saugrohrdruckes zum Gasmassenstrom erfolgt, wobei die Temperatur zur Korrektur hinzugezogen wird. Um ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Korrektur des Zusammenhanges zwischen Saugrohrdruck und Gasmassenstrom weiter verbessert ist, wird vorgeschlagen, den Korrekturfaktor in der Weise zu bestimmen, daß auf das Verhältnis zwischen Normtemperatur und aktueller Temperatur zusätzlich eine wurzelähnliche Funktion angewendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung eines in den Brennraum eintretenden Gasmassenstromes.

Derartige Verfahren werden üblicherweise bei Steuergeräten zur elektronischen Motorsteuerung eingesetzt, da der Gasmassenstrom eine Grundgröße zur Bestimmung der Kraftstoffzumessung darstellt. Die zeitlich korrekte Zumessung des Kraftstoffes zur Verbrennungsluft im Brennraum ist insbesondere bei instationären Vorgängen aus Emissions- und Verbrauchsgründen wichtig. Daher genügt bei Systemen mit Luftmassengebern, die sich insbesondere bei Turbomotoren weit entfernt vom Saugrohr direkt nach dem Luftfilter befinden und daher mit einer Totzeit behaftet sind, die alleinige Auswertung dieses Luftmassensignales nicht. Durch Kenntnis des momentanen Druckes und der Temperatur im Saugrohr kann hier Abhilfe geschaffen werden. Da der Einsatz von Saugrohr-Druckgebern mit hohen Kosten verbunden ist, wird der Saugrohrdruck modelliert, indem eine Bilanz über den zu- und abfließenden Massenstrom ins Saugrohr erstellt und hieraus der Saugrohrdruck errechnet wird. Die Kenntnis des in den Zylinder abfließenden Massenstromes erhält man dabei unter Normbedingungen durch den in Fig. 2 dargestellten linearen Zusammenhang.

Für eine konstante Drehzahl wird am Motorprüfstand die Kennlinie nach Fig. 2 in folgender Weise ermittelt: Ausgehend von Vollast wird die Drosselklappe in diskreten Schritten geschlossen bzw. der Ladedruck abgeregelt und nach jedem Schritt die durch das Einlaßventil strömende Luftmasse mit einem Luftmassengeber im Ansaugsystem oder auf eine andere geeignete Weise ermittelt und der korrespondierende Saugrohrdruck gemessen. Durch die auf diese Weise ermittelten Meßpunkte wird eine Regressionsgerade gelegt, wobei der Abszissenschnittpunkt als im Brennraum verbleibender interner Restgasanteil p_irg interpretiert wird. Die Neigung der Regressionsgeraden bzw. Kennlinie hängt hierbei von der Temperatur des Gasmassenstromes vor dem Einlaßventil ab.

In bekannten Systemen erfolgt die Rückrechnung von Norm - auf Ist-Bedingungen in der Weise, daß die Steigung der Kennlinie durch einen Korrekturfaktor (K = T_o/T_e) mittels eines Hyperbelzusammenhanges korrigiert wird.

Zusammenfassend wird der in den Brennraum eintretende Gasmassenstrom nicht durch eine sensorische Bestimmung, sondern durch Modellierung erfaßt, indem zunächst ein Saugrohrdruck und eine Temperatur in Höhe des Einlaßventiles des in den Brennraum eintretenden Gasmassenstromes bestimmt werden und anschließend eine Zuordnung des Saugrohrdruckes zum Gasmassenstrom erfolgt, wobei die Temperatur zur Korrektur hinzugezogen wird.

Weiter ist es bei modernen Steuergeräten üblich, eine derartige Berechnung in der Weise durchzuführen, daß der Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck und Gasmassenstrom für eine Normtemperatur bestimmt und in Form einer Kennlinie abgelegt wird. Eine Rückrechnung der Steigung der Kennlinie auf die aktuell herrschende Temperatur erfolgt dann wiederum durch einen Korrekturfaktor, der durch das Verhältnis der Normtemperatur zur aktuellen Temperatur bestimmt ist.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Korrektur des Zusammenhanges zwischen Saugrohrdruck und Gasmassenstrom weiter verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Es wird vorgeschlagen, einen idealisierten Korrekturfaktor in der Weise zu bestimmen, daß auf das Verhältnis zwischen Normtemperatur und aktueller Temperatur zusätzlich eine wurzelähnliche Funktion angewendet wird. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß zur Bestimmung eines in einen Brennraum eintretenden Gasmassenstromes nicht die allgemeine Gasgleichung unter Voraussetzung gleicher Zustände im Saugrohr und Zylinder bei Kolbenstellung im unteren Totpunkt und offenem Einlaßventil, nämlich:

p_s.V_h = m.R.T_e (Gl. 1)

mit
p_s = Saugrohrdruck
V_h = Volumen des Brennraumes bei Kolbenstellung im unteren Totpunkt
m = Gasmasse
R = individuelle Gaskonstante des einströmenden Gasgemisches
T_e = aktuelle Absolut-Temperatur des Gasmassenstromes am Einlaßventil

sondern vielmehr die Strömungsgleichung für die isentrope Strömung eines idealen Gases durch eine enge Drosselstelle, nämlich

mit
me = Gasmassenstrom
A = Strömungsquerschnitt
Psi = Ausflußgleichung
p_s = Saugrohrdruck
R = individuelle Gaskonstante des einströmenden Gasgemisches
T_e = aktuelle Absolut-Temperatur des Gasmassenstromes am Einlaßventil

anzuwenden ist, da beim Zufluß zum Brennraum das Einlaßventil im zeitlichen Mittel eine Drosselstelle darstellt.

Mit der vorliegenden Erfindung kann der Gasmassenstrom deutlich genauer bestimmt werden; so konnte in Versuchen die Abweichung des modellierten Gasmassenstromes vom tatsächlich gemessenen Gasmassenstrom in einem Temperaturpunkt, der um -30°C von der Normtemperatur bzw. um -50°C von der Abstimmtemperatur entfernt ist, um den Faktor 3,5 gesenkt werden. Der Begriff "wurzelähnliche Funktion" steht dabei beispielsweise für:

- eine Quadratwurzel-Funktion,
- eine Potenzfunktion mit einem Exponenten im Bereich von im wesentlichen 0,25 bis 0,75
- an eine Potenzfunktion angenäherte Funktionen, z. B. unter Verwendung von Geradenstücken, oder
- an eine Potenzfunktion angenäherte Funktionszusammenhänge, die frei in Kennfeldern abgelegt sind, oder
- mathematisch an eine Potenzfunktion approximierte Funktionszusammenhänge.

Wesentlich ist, daß der funktionale Zusammenhang der wurzelähnlichen Funktion nicht linear, sondern zumindest degressiv verläuft.

Eine vorteilhafte Verwendung des genannten Verfahrens besteht sowohl für Otto- wie auch für Dieselmotoren

1. bei ladedruckgeregelten Turbomotoren bei der Erzielung eines gewünschten Drehmomentes auch bei von der Abstimmtemperatur abweichenden aktuellen Temperaturen,
2. bei Turbomotoren und Saugmotoren mit momentenbasierten Motorsteuerungssystemen in der korrekten instationären Modellierung des Drehmomentes auch bei Temperaturen, die von der Abstimmtemperatur abweichen, so daß sich insgesamt eine Verbesserung der Fahrbarkeitsfunktionen ergibt,
3. bei Turbomotoren und Saugmotoren in der korrekten instationären Kraftstoffzumessung auch bei Temperaturen, die von der Abstimmtemperatur abweichen, und
4. bei Turbomotoren und Saugmotoren in der korrekten Modellierung des stationären und instationären Saugrohrdruckes auch bei Temperaturen, die von der Abstimmtemperatur abweichen.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung des genannten Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der durch das genannte Verfahren erzielten Genauigkeit bei der Bestimmung der durch das Einlaßventil in den Brennraum strömenden Gasmasse auf eine sensorische Bestimmung der meisten Betriebsgrößen verzichtet werden kann. Hierbei ist es zur ausreichend genauen Bestimmung der Motorbetriebsgrößen wie z. B. Kraftstoffzumessung, meist über Kennfelder, ausreichend, Ansaugluft- (bei Turbomotoren nach Ladeluftkühler) oder Umgebungstemperatur, Motortemperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung zu erfassen. Weiterhin muß der Druck vor Drosselklappe in geeigneter Weise erfaßt werden. Dies kann bei Turbomotoren vorteilhaft durch Verwendung eines ohnehin vorhandenen Ladedruckmessers geschehen. Bei Saugmotoren ist es ausreichend, hierzu einen z. B. im Steuergerät angeordneten Umgebungsdrucksensor zu verwenden, wenn zusätzlich der Druckabfall über den Luftfilter rechnerisch berücksichtigt wird. Durch den Einsatz eines Umgebungsdrucksensors werden sowohl bei Turbo- als auch bei Saugmotoren Höheneinflüsse kompensiert. Bei dieser Anordnung kann in vorteilhafter Weise auf einen teuren Luftmassensensor im Ansaugbereich verzichtet werden.

Auch bei einer qualitativ verbesserten Bestimmung des in den Brennraum strömenden Gasmassenstromes kann eine Vereinfachung dadurch erzielt werden, daß nicht die Temperatur im Bereich des Einlaßventiles durch Messung oder Berechnung bestimmt wird, sondern stattdessen eine beispielsweise sensorisch bestimmte Ansauglufttemperatur oder die ohnehin erfaßte Umgebungstemperatur verwendet wird. Auch hier kommt die verbesserte Genauigkeit des dargestellten Verfahrens bei der Bestimmung des in den Brennraum strömenden Gasmassenstromes zum Tragen, da der bei der Bestimmung der Temperatur in Kauf genommene Fehler nicht durch weitere Fehler in der weiteren Berechnungskette weiter vergrößert wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Strömungsweg eines Gasmassenstromes in einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine Kennlinie zur Bestimmung eines Gasmassenstromes, und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung des Gasmassenstromes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert einen Teil einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 2. Die Brennkraftmaschine 1 befindet sich gerade in der Ansaugphase, in der der Brennraum 2 mit Frischgas gefüllt wird, das über ein Saugrohr 3 und vorbei an einem hier geöffneten Einlaßventil 4 in den Brennraum 2 hineinströmt. Ein Auslaßventil 5 ist geschlossen. Ein Steuergerät 6 mißt dem in den Brennraum 2 einströmenden des Gasmassenstrom me über eine Kraftstoffeinspritzdüse 7 den für die bevorstehende Verbrennung benötigten Kraftstoff zu. Zur Bestimmung der korrekten Kraftstoffmenge erhält das Steuergerät 6 unter anderem ein Signal p_s eines Druckgebers 8 für den Druck im Saugrohr 3, ein Signal T_e eines Temperaturgebers 9 für die Temperatur des einströmenden Gasmassenstromes im Bereich des Einlaßventiles 4, das Signal m_LMM eines Gasmassengebers 10 sowie ein Signal nmot für die Motordrehzahl und Kurbelwellenstellung der Brennkraftmaschine 1. Zwischen dem Gasmassengeber 10 und dem Saugrohr 3 ist außerdem noch eine Drosselklappe 11 angeordnet. Bei Turbomotoren sind außerdem zusätzlich ein Verdichter 14 und ein Ladeluftkühler 15 vorgesehen.

Der Begriff Geber im hier gebrauchten Sinne umfaßt sowohl einen Sensor zur direkten (physikalischen) Erzeugung eines der Meßgröße entsprechenden Signales wie auch eine Signalbildung durch Modellbildung. Alternativ zur direkten Erfassung können daher sowohl der Druckgeber 8 das Saugrohrdrucksignal p_s wie auch der Temperaturgeber 9 das Temperatursignal T_e und der Gasmassengeber 10 das Gasmassenstromsignal me aus anderen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 durch Modellbildung herleiten.

Für die Bestimmung der Kraftstoffmenge ist der in den Brennraum 2 einströmende Gasmassenstrom me des Frischgases die maßgebliche Berechnungsgrundlage. Da zur Bestimmung des Gasmassenstromes me am Einlaßventil 4 kein direkt messender Geber vorgesehen ist, verwendet das Steuergerät 6 das Signal p_s für den Saugrohrdruck, um mit Hilfe einer Kennlinie, wie sie in Fig. 2 beispielhaft skizziert ist, den Gasmassenstrom me zu bestimmen. Die Kennlinie 12 gibt für eine bestimmte Motordrehzahl nmot den Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck p_s und einem Norm-Gasmassenstrom me₀ jedoch nur für die Normtemperatur T₀ wieder, für die die Kennlinie 12 ermittelt worden ist. Weicht die ermittelte tatsächliche Temperatur T_e von dieser Normtemperatur T₀ ab, so würde der Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck p_s und Gasmassenstrom me durch eine andere Kennlinie beschrieben, wie dies für tiefere Temperaturen durch die gestrichelt dargestellte Kennlinie 13 angedeutet ist.

Zur Korrektur der Kennlinie 12 - hier: der Steigung der Kennlinie 12 - wird ein idealisierter Korrekturfaktor K* verwendet, der sich abhängig von der aktuellen Temperatur T_e bestimmt. Zur Bestimmung des idealisierten Korrekturfaktors K* wird die Gl. 2 für die aktuell herrschende Temperatur T_e auf den für die Auslegung verwendeten Gasmassenstrom me₀ normiert. Hieraus ergibt sich folgender Zusammenhang:

mit
me = korrigierter Massenstrom
me₀ = Norm-Gasmassenstrom bei Normtemperatur
T_e = aktuelle Temperatur
T₀ = Normtemperatur

Somit bestimmt sich der idealisierte Korrekturfaktor K* zu:

Die Bestimmung des Gasmassenstromes me erfolgt innerhalb des Steuergerätes 6 nach dem in Fig. 3 skizzierten Verfahren. Im ersten Schritt 20 werden die Größen Saugrohrdruck p_s und die Temperatur T_e des Gasmassenstromes me auf Höhe des Einlaßventiles 4 bestimmt. Im nächsten Schritt 21 wird mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie aus dem Wert für den Saugrohrdruck p_s ein Wert me₀ für den Norm-Gasmassenstrom bestimmt. In Schritt 22 wird nun der idealisierte Korrekturfaktor K* bestimmt, indem das Verhältnis von Normtemperatur T₀ zur Einlaßtemperatur T_e gebildet und hierauf anschließend eine wurzelähnliche Funktion angewendet wird. Die Anwendung der wurzelähnlichen Funktion muß hierbei nicht unbedingt durch einen Rechenalgorhythmus erfolgen, sondern kann in zeitsparender Weise mit Hilfe eines weiteren, nicht dargestellten Kennfeldes durchgeführt werden, das eine wurzelähnliche Funktion darstellt.

Im letzten Schritt 23 wird schließlich der Gasmassenstrom me durch Multiplikation des Norm-Gasmassenstromes me₀ mit dem idealisierten Korrekturfaktor K* gebildet.

In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann auch nach der Ermittlung des Saugrohrdruckes p_s im ersten Schritt 20 zunächst der idealisierte Korrekturfaktor K* bestimmt werden. Anschließend wird die Steigung der Kennlinie 10 nach Fig. 2 mit dem idealisierten Korrekturfaktor K* multipliziert. Mit Hilfe der so modifizierten Kennlinie wird aus dem Wert für den Saugrohrdruck p_s der Wert me für den Gasmassenstrom bestimmt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten:

1. Bestimmen einer Temperatur (T_e) eines in einen Brennraum eintretenden Gasmassenstromes,
2. Bestimmen eines Korrekturfaktors (K*) durch Anwenden einer wurzelähnliche Funktion auf ein Verhältnis von aktueller Temperatur (T_e) und Normtemperatur (T₀) des in einen Brennraum (2) eintretenden Gasmassenstromes,
3. Bestimmen eines in den Brennraum eintretenden Gasmassenstromes (me₀) abhängig von einem bei der Normtemperatur (T₀) ermittelten Wert des Gasmassenstromes (me₀) in Abhängigkeit von einem Saugrohrdruck (ps) und einem temperaturabhängigen Korrekturfaktor (K*),

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wurzelähnliche Funktion mit Hilfe eines Kennfeldes (12) nachgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kennfeld (12) zusätzlich ein Einfluß einer Motordrehzahl (nmot) berücksichtigt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wurzelähnliche Funktion eine Potenzfunktion mit einem Exponenten im Bereich von im wesentlichen 0,25 bis 0,75 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wurzelähnliche Funktion eine an eine Potenzfunktion angenäherte Funktion ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wurzelähnliche Funktion ein mathematisch an eine Potenzfunktion approximierter Funktionszusammenhang ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen einer Temperatur (T_e) eines in einen Brennraum eintretenden Gasmassenstromes eine Ansauglufttemperatur oder eine Umgebungstemperatur verwendet wird.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von Motorbetriebsgrößen, insbesondere zur Kraftstoffzumessung, Ansauglufttemperatur oder Umgebungstemperatur, Druck vor Drosselklappe, Motortemperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung sensorisch erfaßt werden, wogegen auf eine direkte sensorische Bestimmung eines Gasmassenstromes der Ansaugluft verzichtet wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Druckes vor Drosselklappe der Umgebungsdruck herangezogen wird.