DE4433044A1 - Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers, der durch Rückströmung der mittels eines Sensors, insbesondere eines Heißfilm-Luftmassenmessers zu erfassenden Größe verursacht wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Erfassung der von Brennkraftmaschinen angesaugten Luftmasse können Luftmassenmesser eingesetzt werden, die ein beheiztes Element aufweisen, das dem zu messenden Luftstrom ausgesetzt wird und durch diesen gekühlt wird. Der durch das beheizte Element fließende elektrische Strom wird dabei so geregelt, daß eine konstante Übertemperatur zur Ansauglufttemperatur gehalten wird. Aus dem benötigten Heizstrom läßt sich ein Maß für die vom Motor angesaugte Luftmasse gewinnen.

Die in gewissen Betriebsbereichen einer Brennkraftmaschine auftretenden Pulsationen der Ansaugluft können zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es im Resonanzfall zu so starken Pulsationen kommt, daß es zu einer sogenannten Rückströmung kommt und der Luftmassenmesser die Strömungsrichtung nicht unterscheiden kann.

Verbrennungsmotoren mit einer Sauganlage, bei der das Saugrohr so gestaltet ist, daß auch bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Zylinderfüllung erreicht wird, weisen besonders starke Pulsationen auf. Man spricht in diesem Fall von Verbrennungsmotoren mit Resonanzaufladung. Diese extrem hohen Pulsationen des einströmenden Luftmassenstromes treten bei bestimmten Drehzahlen auf. Die Amplitude des Luftmassenstromes wird dabei so groß, daß es zu einem Vorzeichenwechsel, d. h. zu einer Rückströmung kommt.

Wird bei einem Verbrennungsmotor mit einer solchen Saugrohrauslegung die pro Ansaughub in den Motor gelangene Luftmasse durch numerische Aufintegration, also durch Abtastung und Mittelung des Ausgangssignales eines Luftmassenmessers über ein Kurbelwellenwinkelsegment durchgeführt, ist die so ermittelte Zylinderfüllung stark verfälscht, da die infolge der Rückströmung hinausfließende Luft irrtümlich mit aufintegriert wird.

Um diese Fehlmessungen abzumildern, sind Verfahren zur Füllungserfassung bekannt, welche den infolge der Pulsationen auftretenden Fehler beispielsweise eines multiplikativen Faktors kompensieren. Dieser multiplikative Faktor wird dabei in Abhängigkeit von Drosselklappenwinkel und Drehzahl festgelegt, es wird dabei näherungsweise davon ausgegangen, daß die Resonanzlagen, d. h. die Drehzahlen, bei denen der Fehler der durch Mittelung der Meßwerte gebildeten Luftmasse maximal ist, zum einen konstant bleiben und zum anderen auch keiner Exemplarstreuung unterliegen. Diese Näherung ist allerdings in der Praxis nicht unproblematisch.

Ein solches Verfahren zur Meßfehlerkorrektur eines Heißfilm-Luftmassenmessers ist aus der DE-OS 39 25 377 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren zur Korrektur eines durch Rückströmung auftretenden Meßfehlers eines Heißfilm-Luftmassenmessers zur Luftmassenerfassung der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine wird zur fehlerfreien Erfassung vorgeschlagen, daß die Luftmenge mit dem Heißfilm-Luftmassenmesser als ein erster Wert bestimmt wird und zusätzlich ein zweiter Wert nach einem unabhängig vom Luftmassenmesser arbeitenden zweiten Luftmassenbestimmungsverfahren ermittelt wird und die beiden Werte alternativ, abhängig von der größeren Meßsicherheit als gültige Größe herangezogen werden. In mindestens einem rückströmungsfreien Betriebsbereich wird ein Korrektursignal aus einem Vergleich des ersten und des zweiten Wertes gewonnen und zur Korrektur des zweiten Wertes in Rückströmung aufweisenden Betriebsbereichen verwendet. Dieses zweite Luftmassenbestimmungsverfahren wird üblicherweise anhand des Drosselklappenwinkels und der Drehzahl der Brennkraftmaschine durchgeführt und einer Kennfeld und/oder Algorithmusbearbeitung unterzogen. Es wird also letztendlich in Bereichen, in denen Heißfilm-Luftmassenmesser aufgrund von Rückströmung fehlerbehaftete Ergebnisse liefern, umgeschaltet auf einen anderen Wert, der durch die Adaption bei einem auf einem anderen Prinzip arbeitenden Luftmassenbestimmungsverfahren gewonnen wird. Die Verwendung von Meßwerten, die auf zweierlei Methoden gewonnen wurden, kann jedoch bei der Umschaltung von der einen zur anderen Methode zu Ungenauigkeiten führen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers hat den Vorteil, daß eine sehr sichere und zuverlässige Erfassung der Luftmasse auch dann möglich ist, wenn starke Pulsationen auftreten, besonders auch dann, wenn aufgrund der Saugrohrgeometrie Resonanzlagen auftreten, bei denen der Fehler der durch Mittelung der Meßwerte bestimmte Luftmasse maximal ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß eine Fehlerkorrektur auch bei wandernden Resonanzpunkten zuverlässig erfolgen kann.

Erzielt werden diese Erfolge, indem in der Auswerteeinrichtung, also beispielsweise im Steuergerät einer Brennkraftmaschine ein Kennfeld abgelegt wird, das für die Resonanzpunkte über Drosselklappenwinkel und Drehzahl aufgespannt ist. Das erforderliche Drehzahlintervall entspricht dabei der zu erwartenden Variationsbreite der Resonanzdrehzahl zuzüglich der Resonanzbreite, d. h. des Drehzahlintervalls, in dem der Fehler signifikant ist.

Das Kennfeld ist beim Start des Verfahrens mit laute Nullen gefüllt. Die einzelnen Felder des Kennfeldes, die gekennzeichnet sind durch ein Drehzahl- und ein Drosselklappenintervall werden im Laufe des Verfahrens mit Maximalwerten der Abtastwerte des Luftmassenstromsignales gefüllt. Dabei wird nach Überprüfung einer Stationärbedingung für die Drehzahl und den Drosselklappenwinkel für die aktuelle Drehzahl und den aktuellen Drosselklappenwinkel der aktuelle Kennfeldwert mit dem aktuellen Abtastwert des Luftmassenstromes überschrieben, falls dieser größer ist als der vorhandene, im Kennfeld an der entsprechenden Stelle abgelegte Wert.

Ausgehend von dieser Lösung kann eine laufende Adaption erfolgen, so daß in vorteilhafter Weise Alterungsbedingungen der Brennkraftmaschine kompensiert werden. Exemplarstreuungen, also Streuungen, die bei verschiedenen Brennkraftmaschinen auftreten, werden nach der ersten Inbetriebnahme adaptiert.

Besonders vorteilhaft ist, daß der durch Pulsation bzw. Rückströmung entstandene Fehler vollständig ausgeglichen wird.

Weiter Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibug näher erläutert. Es zeigen im einzelnen Fig. 1 die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bestandteile einer Brennkraftmaschine einschließlich der erforderlichen Sensoren, Fig. 2 ein Blockschaltbild, das das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht, Fig. 3 ein Diagramm, das das zeitliche Verhalten der im Saugrohr einer Brennkraftmaschine vorliegenden Luftströmung bei stark pulsierender bzw. Rückströmung aufweisender Luftströmung aufzeigt. In Fig. 4 ist ein Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen Drosselklappenwinkel und Drehzahl aufzeigt, dargestellt und Fig. 5 zeigt das Korrekturkennfeld für den Korrekturfaktor K in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem Drosselklappenwinkel α_DK.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Komponenten einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Dabei ist mit 10 das Saugrohr der Brennkraftmaschine bezeichnet, 11 bezeichnet ein Einspritzventil und 12 die Drosselklappe, deren Stellung bzw. Winkel α_DK mit Hilfe eines Sensors 13 gemessen wird.

14 ist ein Luftmassenmesser, beispielsweise ein Heißfilmsensor, der die durchströmende Luftmasse L_m mißt und in Abhängigkeit von der strömenden Luftmasse eine Ausgangsspannung U_H liefert, die in der Auswerteschaltung 15 des Luftmassenmessers 14 bereitgestellt wird.

Mit 16 ist eine Welle der Brennkraftmaschine, beispielsweise die Kurbelwelle oder die Nockenwelle bezeichnet. Eine mit dieser Welle in Verbindung stehende Scheibe 17 weist an ihrer Oberfläche Markierungen 18 auf, die mit Hilfe eines Aufnehmers 19 abgetastet werden. Dieser Aufnehmer liefert eine Ausgangsspannung U_n mit einer charakteristischen Pulsfolge, aus der die Drehzahl n der Brennkraftmaschine ebenso ermittelbar ist wie die Stellung der Kurbel- bzw. der Nockenwelle.

Die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine sowie die Auswertung der von den Sensoren gelieferten Spannungen erfolgt mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise dem Steuergerät 20 der Brennkraftmaschine. Dieses Steuergerät 20 umfaßt eine Eingangsbeschaltung 21 sowie eine Ausgangsbeschaltung 22 sowie eine zentrale Prozessoreinheit CPU 23 und Speicher 24. Zwischen den einzelnen Bestandteilen des Steuergerätes werden Informationen ausgetaucht, in Fig. 1 ist dies durch die Pfeile 25a, b bezeichnet. Die vom Steuergerät in Abhängigkeit von den ermittelten Daten berechneten Ansteuersignale für die Einspritzung und Zündung sind mit E und Z bezeichnet.

Aus den von den Sensoren 13, 14, 19 sowie gegebenenfalls weiterer Sensoren gelieferten Informationen werden im Steuergerät 20 die einzelnen Ansteuerdaten berechnet. Dabei werden Kennfelder, die im Speicher 24 abgelegt sind, mit berücksichtigt. Für die Berechnung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse läuft im Steuergerät das in Fig. 2 in Blockform dargestellte Verfahren ab.

Die vom Luftmassenmesser gelieferte Ausgangsspannung U_H wird zur Weiterverarbeitung zunächst in Block 26 in geeigneter Weise abgetastet, beispielsweise in einem 1 ms Raster. Aus den so erhaltenen Abtastwerten wird in einer Mittelwertstufe 27 ein Mittelwert gebildet, der in einer Divisionsstufe 28 unter Berücksichtigung der Drehzahl n zu einem Lastsignal t_L, daß einer Zeitdauer entspricht, weiterverarbeitet wird. In einer Multiplikationsstufe 29 wird aus dem Lastsignal t_L das korrigierte Lastsignal t_LK gebildet, wobei das nichtkorrigierte Lastsignal mit einem Korrekturfaktor K multipliziert wird, der in dem nun beschriebenen Teil des Blockdiagramms der Fig. 2 gebildet wird:
Die Erkennung, ob Stationärbedingung vorliegt, erfolgt im Block 30, aus den vorliegenden Werten für den Drosselklappenwinkel α_DK und Drehzahl n. In Block 31 wird ein Datenraster für Maximalwerte der abgetasteten Luftmassenwerte sowie des Drosselklappenwinkels und der Drehzahl gebildet. In Block 32 erfolgt eine Datenauswertung und gegebenenfalls über Leitung 33 ein Rücksetzen im Datenraster für Maximalwerte 31.

In Block 34 wird eine neue Resonanzdrehzahl n_R ermittelt, die in Block 35 mit der in Block 36 abgespeicherten alten Resonanzdrehzahl verglichen wird, zur Bildung einer korrigierten Drehzahl n_K, die ebenfalls wie der Drosselklappenwinkel α_DK Block 37 zugeführt wird, in dem das Korrekturkennfeld abgespeichert ist. Ausgehend vom Korrekturkennfeld wird der jeweils richtige Faktor K der Multiplikationsstufe 29 zugeführt, zur Bildung des korrigierten Lastsignales t_L,K.

In den erwähnten Blöcken 30 bis 37, in denen die eigentliche Korrektur abläuft, läuft das im folgenden beschriebene Verfahren ab:
Für die aufgrund der vorliegenden Saugrohrgeometrie zu erwartenden Resonanzpunkte wird ein Kennfeld über Drosselklappenwinkel α_DK und Drehzahl n aufgespannt. Das Drehzahlintervall, das dabei berücksichtigt wird, entspricht der zu erwartenden Variationsbreite der Resonanzdrehzahl zuzüglich der Resonanzbreite, d. h. des Drehzahlintervalls, indem der durch Pulsation bzw. Rückströmung auftretende Fehler signifikant ist.

Die Wahl der Drosselklappenstützstellen ergibt sich aus der Abhängigkeit der zu erwartenden Resonanzeffekte vom Öffnungswinkel der Drosselklappe. Im Extremfall genügt eine einfache Schwelle, so daß das Adaptionskennfeld in eine Kennlinie übergeht.

Beim Start des Verfahrens ist das Kennfeld mit lauter Nullen gefüllt. Die einzelnen Felder des Kennfeldes, die gekennzeichnet sind durch ein Drehzahl- und Drosselklappenintervall werden nach und nach mit dem Maximalwert und der Abtastwerte des Luftmassenstromsignales gefüllt. Es wird also nach Überprüfung einer Stationärbedingung in Block 30 für die Drehzahl n und den Drosselklappenwinkel α_DK für die aktuelle Drehzahl und den aktuellen Drosselklappenwinkel der aktuelle Kennfeldwert dann mit dem aktuellen Abtastwert des Luftmassenstromes überschrieben, wenn dieser größer als der vorhandene und bereits abgespeicherte Kennfeldwert ist. Ist unmittelbar nach dem Start im Kennfeld noch eine Null abgespeichert, ist selbstverständlich der erste Abtastwert auch größer.

In Fig. 4 ist ein Kennfeld für den Drosselklappenwinkel α_DK über der Drehzahl n dargestellt. Dabei ist für einen Drosselklappenwinkel zwischen 30 und 50° für verschiedene Drehzahlintervalle die jeweils durchfließende Luftmasse in Kilogramm pro Stunde eingetragen. Dieser Wert ist mit 40 Kg pro Stunde maximal im Bereich einer Resonanzdrehzahl n_R.

Nachdem das Kennfeld auf die beschriebene Art und Weise gefüllt wurde, als Kriterium dafür daß das Kennfeld gefüllt ist, kann beispielsweise gefordert werden, daß eine Mindestanzahl von Abtastwerten in jedem Feld eingeschrieben wurde, wird eine Auswertung der gespeicherten Daten durchgeführt. Es wird dabei für jeden Drosselklappenwinkelbereich derjenige Drehzahlbereich ermittelt, bei dem der größte Momentanwert gemessen wurde. Der Mittelwert aus dem hierbei ergebenden Bereichsmitten wird bei genügend kleiner Standardabweichung als Resonanzdrehzahl n_R erkannt. Bei dem in Fig. 4 angegebenen Beispiel liegt die Resonanzdrehzahl n_R bei einem Durchfluß von 40 Kg pro Stunde, also bei 1835 Umdrehungen pro Minute.

Die Resonanzdrehzahl n_R liegt in der Mitte des Drehzahlintervalls 1830 < n < 1840 beim Beispiel nach Fig. 4.

Nach Erkennung der Resonanzdrehzahl n_R wird das Kennfeld zurückgesetzt, es wird also mit Nullen gefüllt und das Verfahren wird erneut gestartet. Die zeitlichen Abstände, in denen die Resonanzdrehzahl n_R auf diese Weise aktualisiert wird, reicht aus, um langsamen Änderungen dieser Drehzahl zu folgen. Exemplarstreuungen, also Streuungen von Motor zu Motor werden nach der ersten Inbetriebnahme des Motors adaptiert.

Mit der wie vorstehend beschrieben ermittelten Resonanzdrehzahl n_R wird anschließend der Zugriff auf ein Korrekturkennfeld, welches üblicherweise über dem Drosselklappenwinkel und der Drehzahl n aufgespannt ist, beeinflußt. Im Korrekturkennfeld sind für einen Normmotor Faktoren abgelegt, mit denen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Motors der gemittelte Luftmassenstrom, also die Füllung pro Hub derart korrigiert wird, daß der durch Pulsation bzw. Rückströmung entstandene Fehler ausgeglichen wird.

Für die Resonanzdrehzahl ist dabei der Korrekturfaktor K am kleinsten. In Fig. 5 ist ein Kennfeld dargestellt, das den dreidimensionalen Zusammenhang zwischen der Drehzahl n, dem Drosselklappenwinkel α_DK und den Korrektfaktor K erkennen läßt.

Beim Zugriff auf das Korrekturkennfeld wird der aktuelle Wert der Drehzahl mit Hilfe der adaptierten Resonanzdrehzahl korrigiert. Es wird dazu die Drehzahl mit dem Verhältnis der alten Resonanzdrehzahl zur neuen Resonanzdrehzahl multipliziert. Die alte Resonanzdrehzahl ist in Block 35 abgespeichert, die neue Resonanzdrehzahl wird in Block 34 ermittelt, die Verhältnisbildung zwischen der alten Resonanzdrehzahl und der neuen Resonanzdrehzahl erfolgt in Block 36, an dessen Ausgang des korrigierte Drehzahl n_K bereitgestellt wird. Es wird weiterhin die Drehzahl mit dem Verhältnis der alten Resonanzdrehzahl zur neuen Resonanzdrehzahl multipliziert. Die multiplikative Korrektur hat im Falle mehrerer Resonanzen, die durch Oberwelleneffekte verursacht werden, den Vorteil, daß nicht jede Resonanz getrennt adaptiert werden muß.

Würde keine multiplikative Korrektur erfolgen, müßte bei mehreren Resonanzen für jede Resonanz ein eigenes Kennfeld angelegt werden und das Verfahren entsprechend angewendet werden.

Daß zur exakten Bestimmung der angesaugten Luftmasse, insbesondere zur Bestimmung der Luftmasse pro Hub eine Rückströmungskorrektur erforderlich ist, läßt sich aus Fig. 3 erkennen. In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Luftströmung im Saugrohr einer Brennkraftmaschine aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Luftmasse pro Zeiteinheit pulsiert. Die Pulsation ist eine Rückwirkung der nicht kontinuierlich, sondern taktweise erfolgenden Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine. Es liegt dabei jeweils zwischen zwei Zündzeitpunkten die Periodendauer T einer Saugperiode. Wird unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine die Pulsation sehr groß, kann Rückströmung auftreten, dies bedeutet, daß der Luftmassenstrom seine Richtung im Saugrohr umkehrt. Der Rückströmbereich ist in Fig. 3 schraffiert gekennzeichnet.

Wenn der Luftmassenmesser die Rückströmung nicht erkennt, wird eine Luftmassenströmung in eine Richtung vorgetäuscht, obwohl sie tatsächlich in die andere Richtung geht. Bei der Bestimmung der Luftmasse pro Hub, bei der das Signal U_H über eine Periode auf integriert wird, wird ein falscher Wert erhalten, da die Rückströmung positiv erfaßt wird anstatt vom Ergebnis abgezogen zu werden. Der dadurch entstehende Fehler wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers, der durch Rückströmung der mittels eines Sensors zu erfassenden pulsierenden Größe, die insbesondere die Luftmasse der Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine ist, verursacht wird, mit einer Auswerteeinrichtung, der die Signale des Sensors sowie wenigstens zwei weitere, den Betriebszustand charakterisierende Größen zugeführt werden, von denen eine die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist, wobei in der Auswerteeinrichtung Korrekturgrößen gebildet werden, mit denen das vom Sensor gelieferte Signal korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen, unter denen Rückströmung möglich ist, durch Ermittlung von Resonanzdrehzahlen (n_R), bei denen die Pulsationen der zu erfassenden Größe Maximalwerte erreichen erfolgt, und die Korrekturgrößen aus einem Kennfeld gebildet werden, das laufend adaptiert wird, wobei die Adaption so erfolgt, daß immer der größere, unter gleichen herrschenden Bedingungen ermittelte Wert abgelegt wird.

2. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die herrschenden Bedingungen eine Stationärbedingung für die Drehzahl (n) und den Drosselklappenwinkel (α_DK) ist.

3. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld von der Drehzahl und dem Drosselklappenwinkel abhängig ist und beim Start des Korrekturverfahrens bezüglich des auftretenden Luftmassenwertes mit lauter Nullen gefüllt ist.

4. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auszuwertende Drehzahlbereich in gleich große Intervalle unterteilt wird, daß der mögliche Drosselklappenwinkel ebenfalls in gleich große Intervalle unterteilt wird und für jedes Drehzahl sowie Drosselklappenintervall der innerhalb vorgebbarer Zeit ermittelte maximale Luftmassenwert eingeschrieben wird und dieser Wert überschrieben wird, sofern bei der nächsten Messung für denselben Drehzahl- und Drosselklappenwinkelbereich ein höherer Wert ermittelt wird und die Resonanzdrehzahl (n_R) so definiert wird, daß sie innerhalb des Drehzahlbereiches mit dem höchsten Meßwert liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des betreffenden Drehzahlwertes mit dem höchsten Meßwert als Resonanzdrehzahlwert übernommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der ermittelten Resonanzdrehzahl (n_R) auf ein weiteres Korrekturkennfeld zugegriffen wird, das über den Drosselklappenwinkel und die Drehzahl aufgespannt ist und aus diesem Kennfeld der zugehörige Faktor (K) ausgelesen wird, mit dem der vom Sensor gelieferte Wert korrigiert wird.

7. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zugriff auf das Korrekturkennfeld der aktuelle Wert der Drehzahl mit Hilfe der adaptierten Resonanzdrehzahl korrigiert wird, indem die Drehzahl mit dem Verhältnis der alten Resonanzdrehzahl zur neuen Resonanzdrehzahl multipliziert wird.

8. Verfahren zur Korrektur eines Meßfehlers, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine Korrektur durchgeführt wird, mit der Streuungen zwischen einzelnen Brennkraftmaschinen kompensiert werden.