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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ermittlung des Luftmassenliefergrades bei einer Brennkraftmaschine
mit einem Luftmassenstrommesser und einer elektronischen Steuereinrichtung.
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Aus der
DE 4007557 A1 ist ein Treibstoffregler
für einen
Verbrennungsmotor bekannt, der eine Einrichtung zum Bestimmen der
Treibstoff-Grundeinspritzung eines Motors enthält. Diese Einrichtung bildet
einen Bezugswert, der repräsentativ
ist für
die Luftmenge, die in einen Verbrennungsraum geladen ist.
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Bei der elektronischen Steuerung
von Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, ist zur Berechnung
von Ausgangsgrößen, wie
beispielsweise dem Zündwinkel
und der Einspritzzeit (Kraftstoffmenge), eine Ermittlung des Luftmassenliefergrades erforderlich.
Da diese Größe nicht
unmittelbar gemessen werden kann, wird bei bekannten Verfahren aus
dem gemessenen Luftmassenstrom auf den Luftmassenliefergrad geschlossen.
Insbesondere im instationären
Betrieb ergeben sich jedoch bei den bekannten Verfahren erhebliche
Abweichungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren zur Ermittlung des Luftmassenliefergrades
vorzuschlagen, bei welchem auch im instationären Betrieb eine ausreichende
Genauigkeit möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Luftmassenliefergrad (Last) aus dem Luftmassenliefergrad (Last
(k – 1))
des vorangegangenen Arbeitsspiels und dem gemessenen Luftmassenstrom
(LMS) mal dem zeitlichen Abstand (TN) zweier Ansaugungen berechnet
wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein einfaches Modell eines Ottomotors zugrunde gelegt, dessen
Eingangsgröße der gemessene
Luftmassenstrom und dessen Ausgangsgröße der ermittelte Luftmassenliefergrad
ist. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung nach der Gleichung Last = (X – 1)/X·Last(k – 1) + (LMS·TN)/(X·MLtheo),wobei
X = Vs/Vz = Saugrohrvolumen/Volumen eines Zylinders und MLtheo die
Luftmasse im Zylinder unter Normbedingungen ist.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen
zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
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1 ein
Ablaufdiagramm einer elektronischen Motorsteuerung, bei welcher
das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet wird,
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2 eine
schematische Darstellung des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Modells,
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3 ein
Ablaufdiagramm des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 Zeitdiagramme
verschiedener bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftretender Größen und
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5 eine
an sich bekannte Steuereinrichtung, mit welcher bei geeigneter Programmierung das
erfindungsgemäße Verfahren
durchführbar
ist.
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Gleiche Teile sind in den Figuren
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bevor auf das Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
selbst eingegangen wird, wird im folgenden anhand von 1 die elektronische Steuerung
einer Brennkraftmaschine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kurz erläutert.
Bei 1 werden verschiedene Eingangsgrößen, beispielsweise die Drehzahl,
der Luftmassenstrom und Temperaturen, gemessen. Zur Berechnung von
Ausgangsgrößen bei 2 wird
allerdings der Luftmassenliefergrad – im folgenden Massenliefergrad
genannt – benötigt, der
nicht unmittelbar meßbar
ist. Deshalb wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe eines
Motormodells 3 aus meßbaren
Eingangsgrößen der
Massenliefergrad 4 berechnet. Mit diesem und einigen der
gemessenen Eingangsgrößen können dann
beispielsweise der Zündwinkel 5,
die Einspritzzeit 6 und weitere Ausgangsgrößen berechnet
werden.
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Zur weiteren Erläuterung des Motormodells 3 bzw.
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden im folgenden zunächst
die benutzten Formelzeichen von Systemgrößen erklärt:
Vs Saugrohrvolumen,
Vh
gesamtes Hubvolumen,
Vz Volumen eines Zylinders,
LMS Luftmassenstrom,
MLs
Luftmasse im Saugrohr,
MLz Luftmasse eines Zylinders,
MLges
Luftmasse im Saugrohr und ansaugenden Zylinder,
MLtheo Luftmasse
im Zylinder unter Normbedingungen,
rhoN Luftdichte unter Normbedingungen,
Last
Massenliefergrad,
LastoF ungefilterter Massenliefergrad,
FF
Filterfaktor,
TN zeitlicher Abstand zweier Ansaugungen,
k
Zählvariable
der Arbeitsspiele.
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Die als Bestandteile des Modells
vorhandenen Volumina sind in 2 schematisch
dargestellt. Das Gesamtmodell 11 enthält den gesamten Hubraum Vh
und das gesamte Saugvolumen 12. Eine Schnittmenge dieser
beiden Volumina ist das Volumen Vz des jeweils ansaugenden Zylinders.
In dem Saugvolumen Vs und dem Volumen des gerade ansaugenden Zylinders
Vz befindet sich die Gesamtluftmasse MLges.
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Im stationären Betrieb ist der am Luftmassenstrommesser
vorbeiströmende
Luftmassenstrom gleich dem über
die Auslaßventile
ausgestoßenen Gasstrom.
Die Luftmasse im Zylinder ergibt sich dann aus MLz = LMS·TN (1)TN ist der
zeitliche Abstand zweier Ansaugungen aus dem gleichen Saugrohrvolumen,
also z. B. bei einem Vierzylindermotor die Zeit für 180° Kurbelwinkel
bzw. bei einem Sechszylindermotor die Zeit für 120° Kurbelwinkel.
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Als Volumenverhältnis wird definiert: X = Vs/Vz (2)
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Werden gleiche Druck- und Temperaturbedingungen
für ansaugenden
Zylinder und Saugrohr angenommen, so läßt sich die Luftmasse im Saugrohr
wie folgt berechnen: MLs
= X·MLz (3)
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Der zuströmende Luftmassenstrom verteilt sich
während
TN auf das Saugrohrvolumen und einen ansaugenden Zylinder MLges = MLs + MLz (4)
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Im instationären Betrieb wird zunächst von MLges
ausgegangen. Zwischen einströmender
Luftmasse und abströmender
Luftmasse muß unterschieden
werden. Die einströmende
Luftmasse läßt sich
nach wie vor wie folgt berechnen: MLzu = LMS·TN (5)
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Als abströmende Luftmasse wird nun die Luftmasse
angenommen, die vor einem Arbeitsspiel im ansaugenden Zylinder war: MLab = MLz(k – 1) (6)
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Somit läßt sich der instationäre Betrieb
wie folgt mathematisch beschreiben: MLges = MLges k – 1 + MLzu-MLab (7)
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Die Luftmasse im Zylinder ergibt
sich aus der Umkehrung von Gleichung (3) zu: MLz
= MLs/X
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Somit läßt sich schreiben: MLz = (MLs(k – 1) + LMS·TN – MLz(k – 1))/X
MLz
= (X·MLz(k – 1) + LMS·TN – MLz(k – 1))/X
MLz = ((X – 1)·MLz(k – 1) + LMS·TN)/X
MLz = (X – 1)/X·MLz(k – 1) + 1/XLMS·TN (8)
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Der Massenliefergrad berechnet sich
dann folgendermaßen: Last = MLz/MLtheo, (9)wobei sich
die theoretische Luftmasse im Zylinder unter Normbedingungen wie
folgt ergibt: MLtheo = Vz·rhoN (10)
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Gleichung (9) in (8) eingesetzt,
ergibt: Last·MLtheo = (X – 1)/X·Last(k – 1)·MLtheo
+ 1/X·LMS·TN
Last = (X – 1)/X·Last(k – 1) + 1/X·(LMS·TN)/MLtheo
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Mit LastoF = (LMS·TN)/MLtheo ergibt sich: Last = (X – 1)/X·Last(k – 1) + 1/X·LastoF (11)
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Versuche haben gezeigt, daß es eine
gute Übereinstimmung
zwischen diesem Modell und dem Motor gibt. Die Gleichung (11) kann
zur vereinfachten Softwareumsetzung wie folgt umgeformt werden: (X – 1)/X = FF/256 (12)daraus1/X = (256 – FF)/256 (13)
Last = Last(k – 1)·FF/256 + LastoF·((256 – FF)/256)
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3 zeigt
ein Ablaufschema zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleichzeitig stellt 3 die
wesentlichen Teile eines Flußdiagramms
für ein
Computerprogramm für
die Steuereinrichtung dar. Das Programm wird mit jedem Arbeitsspiel
jeweils eines Zylinders wiederholt.
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Bei 13 wird der zuströmende Luftmassenstrom
durch Auswertung der Spannung des Luftmassenstrommessers gemessen.
Diese Größe wird
als eine Eingangsgröße in das
Motormodell 14 eingegeben, wobei zunächst bei 15 aus dem
ebenfalls zugeführten
Wert TN, der aus der Drehzahl berechnet wird, die einströmende Luftmasse
pro Arbeitsspiel ermittelt wird. Danach wird bei 16 die
Differenz zwischen der einströmenden
und der ausströmenden Luftmasse
berechnet.
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Im Anschluß daran wird im Programmteil 17 die
gesamte Luftmasse im Ansaugsystem und bei 18 daraus die
zylinderspezifische Luftmasse berechnet, wozu als Konstante X =
Vs/Vz zugeführt
wird. Daraus kann dann entsprechend der Gleichung (11) der Massenliefergrad
bei 19 berechnet werden, wozu die theoretische Luftmasse
pro Zylinder als weitere Konstante benötigt wird. Die bei 18 berechnete
zylinderspezifische Luftmasse wird beim nächsten Arbeitsspiel im Programm 16 als
ausströmende
Luftmasse verwendet. Wie bei dem Ablaufplan gemäß 1 werden bei 2 die Ausgangsgrößen berechnet.
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf verschiedener Größen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
als Funktion der Zeit, wobei als Zeitmaßstab die Anzahl der Lastspiele
bzw. der zeitliche Abstand zweier Ansaugungen TN gewählt wurde.
Dabei wird vorausgesetzt, daß etwa
beim sechsten Lastspiel plötzlich
Gas gegeben wird. Daraufhin steigt der Luftmassenstrom LMS, der
mit einem Heißfilm-Luftmassenmesser
gemessen wird, plötzlich
an, um nach wenigen Arbeitsspielen auf einen statischen Wert abzufallen,
bis bei dem 30. Arbeitsspiel wieder Gas weggenommen wird. Die Luftmasse
MLges im Saugrohr und im ansaugenden Zylinder steigt nicht ganz
so schnell an, behält
ihren hohen Wert bei und fällt
nach dem Schließen
der Drosselklappe allmählich
ab.
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Wie der Luftmassenstrom weist auch
die einströmende
Luftmasse MLzu eine Überhöhung auf. Durch
die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens
verläuft
die berechnete Luftmasse im Zylinder MLz ohne eine Überhöhung, was
den tatsächlichen Verhältnissen
sehr nahekommt. Außerdem
ist in 4 die abströmende Luftmasse
angegeben, die der Luftmasse im Zylinder MLz(k – 1) während des vorangegangenen Arbeitsspiels
entspricht. Die Berechnung wurde mit einem Filterfaktor von FF =
217 durchgeführt,
der sich aus Vs/Vz = 3630ccm/550ccm ergab.
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Um weitere Einflüsse berücksichtigen zu können, die
mit dem vereinfachten Modell nicht erfaßt werden, kann der Filterfaktor
von weiteren Einflüssen
abhängig
gemacht werden. Sinnvolle Abhängigkeiten
sind zum Beispiel die Drehzahl, gefilterte Last, Nockenwellenstellung,
Saugrohrstellung, usw..
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5 stellt
eine Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar, bei welcher ein an sich bekanntes Steuergerät 21 in Abhängigkeit
von verschiedenen an der nur teilweise dargestellten Brennkraftmaschine 22 gemessenen Größen Zünd- und
Einspritzimpulse erzeugt. Dazu erhält das Steuergerät 21 Signale
von einem Luftmassenmesser 23, einem Lufttemperaturgeber 24, einem
Kühlwassertemperaturgeber 25,
einem Klopfsensor 26 und einem Drehzahlgeber 27.
An Ausgänge
des Steuergerätes 21 sind
Einspritzventile 28, von denen nur eins in 5 dargestellt ist, und die Zündspule 29 angeschlossen.