DE4440640A1 - Verfahren zur Instationärsteuerung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen im Instationärbetrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannte Steuerungen von Brennkraftmaschinen erfassen verschiedene Maschinenbetriebsparameter, wie z. B. die Maschinendrehzahl, die Luftmasse im Ansaugrohr, die Sauerstoffkonzentration im Abgas, die Kühlmitteltempe­ ratur, um auf deren Basis den Zündzeitpunkt und die Kraftstoffeinspritzmenge mittels einer vorbestimmten mathematischen Beziehung unter Einsatz eines Mikropro­ zessors zu bestimmen. Diese mathematischen Beziehungen, die üblicherweise in Tabellenform in einem ROM-Speicher abgelegt sind, liefern geeignete Einspritzmengen und dazu passende Zündzeitpunkte für die Brennkraftma­ schine.

Im Grundsatz erfolgt die Zündwinkelberechnung in Abhän­ gigkeit der Drehzahl n und der Motorlast Q_L sowie in Abhängigkeit von Korrekturfunktionen. Die Einspritzzeit ergibt sich ebenfalls aus der Motorlast Q_L und gegebe­ nenfalls verschiedenen Korrekturfunktionen, aus der an­ hand einer Ventilkennlinie die Einspritzmenge je Hub abgeleitet wird.

Die Motorlast Q_L ist definiert als die je Hub angesaug­ te Luftmenge:

Q_L Q/n,

wobei Q die je Zeiteinheit (z. B. in kg/h) angesaugte Luftmenge und n die Motordrehzahl in der Einheit 1/min darstellt.

Der Durchsatz der an der Brennkraftmaschine zugeführten Ansaugluft wird mittels sogenannter Ansaugluftmassen­ strommeßgeräte für Verbrennungsmotoren, in den meisten fällen Hitzdraht- und Heißfilmluftmassenstrommeßgeräte, erfaßt, weil solche Geräte kostengünstig sind.

Bei einem Hitzdrahtluftmassensensor befindet sich ein von einem Strom aufgeheizter dünner Draht in dem ange­ saugten Luftstrom und bildet den Zweig einer Wheat­ stone-Brücke. Die vorbeiströmende Luft entzieht dem er­ hitzten Draht Wärme, wodurch sein Widerstand sich ver­ ändert und die Brücke verstimmt wird. Die Brückenver­ stimmung ruft über einen entsprechenden Regelkreis eine solche Veränderung des Heizstroms hervor, daß die Brücke wieder abgeglichen wird. Die Brücke ist so abge­ stimmt, daß der Hitzdraht eine bestimmte Übertemperatur erreicht, die mit Hilfe der Regelschaltung konstant ge­ halten wird.

Eine schematische Darstellung eines Saugrohres S eines Ottomotors ist in Fig. 3 gezeigt. In dieses Saugrohr S, welches durch das Volumen V_s, den Saugrohrdruck p_s und die Luftdichte ϕ_s gekennzeichnet ist, fließt über die Drosselklappe DK, dessen Öffnungsfläche sich aus dem Winkel α ergibt, ein Luftmassenstrom m_L ein, der von einem vor dieser Drosselklappe DK angeordneten Luftmassensensor HDLM erfaßt wird. Der am Einlaßventil V, also am Motorzylindereingang in den Motorzylinder strömende Luftmassenstrom ist mit m_V bezeichnet, der im stationären Betriebszustand des Motors ausreichend gut mit dem Luftmassenstromwert m_L am Ort des Luftmassen­ sensors HDLM übereinstimmt und als integraler Mittel­ wert der von dem Luftmassensensor gelieferten Luftmas­ senstromwertes erfaßt wird. Im instationären Betriebs­ zustand dagegen, also im dynamischen Übergang von einem stationären in einen instationären Betriebszustand, entsteht zwischen dem am Ort des Luftmassensensors ge­ messenen Luftmassenstrom und der zeitgleich in den Motorzylinder einströmenden Luftmasse eine Differenz, die sich aus der Speicherwirkung des Saugrohres ergibt. Dieser Luftmassenstrommeßfehler führt in der Regel zu unerwünschten Lambda-Abweichungen, da ein Phasenfehler zwischen der in den Zylinder strömenden Luftmasse und der zugemessenen Kraftstoffmasse vorliegt.

Dieser Luftmassenstrommeßfehler führt bei tip-in (schnelle Öffnung der Drosselklappe bei konstanter Motordrehzahl) zu einem zu großen Meßwert, also zu ei­ ner Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches, bei tip-out (schnelle Schließung der Drosselklappe bei konstanter Motordrehzahl) dagegen zu einem zu kleinen Meßwert für die Luftmasse im Zylinder, also zu einer Abmagerung des Kraftstoff-Luftgemisches.

Der Zeitraum, über den sich dieser Fehler erstreckt und auf das Lambda auswirkt, hängt im wesentlichen vom Vo­ lumen des Ansaugsystems zwischen der Drosselklappe und den Einlaßventilen des Motors sowie von dem dynamischen Verhalten des Luftmassensensors ab.

Zur Lösung der mit der Instationärsteuerung von Brenn­ kraftmaschinen behafteten Probleme wurden verschiedene Algorithmen vorgeschlagen.

So ist beispielsweise aus einem Aufsatz von T. Sekozawa mit dem Titel "Development of a highly accurate air­ fuel ratio control method based on internal state estimation", erschienen in SAE (Society of Automotive Engineer) 99 02 90 Paper, Februar 1992, bekannt, den Luftmassenstrom m_V am Einlaßventil des Motorzylinders über eine Berechnung des Saugrohrdruckes p_s zu ermit­ teln. Diese Berechnung beruht auf der Formel

wobei R die Gaskonstante, T die Lufttemperatur im Saug­ rohr, V_s das Saugrohrvolumen und m_L bzw. m_V der Luft­ massenstrom am Ort des Luftmassensensors bzw. am Motor­ zylindereingang bedeutet. Die Berechnung des Saugrohr­ druckes p_s mittels dieser Gleichung wird mit der zuge­ hörigen Rekursionsformel auf der Grundlage von kurbel­ wellensynchronen Intervallen gemäß

p_{s, n} = p_{s, n-1} + Δt · K · (m_{L, n-1} - m_{V, n-1}) (2)

durchgeführt, wobei der Parameter K = (R·T/V_s) kon­ stant bleibt.

Der Luftmassenstromwert m_V am Zylindereingang kann nach der Formel

berechnet werden, wobei n die Motordrehzahl, i die Taktzahl des Motors und λ_L der Liefergrad ist. Da der Liefergrad λ_L, der von der Motordrehzahl, der Motor­ last, der Temperatur und des Saugrohrdruckes abhängt, sehr schwer direkt zu bestimmen ist, wird der Liefer­ gradeinfluß in einem stationären Prüfstandsversuch für ein 16 × 16-Stützstellenkennfeld für Saugrohrdruck und Luftmassenstrom ermittelt. Dieses Kennfeld stellt daher den Zusammenhang zwischen dem Saugrohrdruck p_s, der Motordrehzahl n und des Luftmassenstromes m_V am Zylin­ dereingang her. Nach jedem Meßintervall wird der Luft­ massenstromwert m_L,n ermittelt sowie mittels der im vorangegangenen Intervall gespeicherten Werte des Saug­ rohrdruckes p_s,n, der Luftmassenströme m_L,n-1 und m_V,n-1 der entsprechende Wert für den Saugrohrdruck p_s,n mittels der Formel (2) bestimmt. Mit diesem Saug­ rohrdruck p_s,n wird anhand des gespeicherten Kennfeldes der entsprechende Luftmassenstromwert m_V,n erzeugt, der seinerseits zu einem Lastwert weiterverarbeitet wird. Bevor der nächste Meßzyklus beginnt, werden die Werte des Luftmassenstromes m_V,n, der Luftmassenströme m_L,n und m_V,n sowie der Saugrohrdruck p_s,n gespeichert.

Dieses bekannte Verfahren zur Bestimmung des Luftmas­ senwertes am Motorzylindereingang führt jedoch nicht zu einer bestmöglichsten Lambda-Konstanz, da bei der Durchführung dieses Verfahrens der Faktor K gemäß For­ mel (2) konstant gehalten wird, dieser jedoch von der Saugrohrlufttemperatur abhängt. Zur Verbesserung dieses bekannten Verfahrens müßte daher dieser Temperaturwert gemessen oder durch ein Näherungsverfahren bestimmt werden, wodurch sich der Aufwand vergrößert, was zu ei­ ner negativen Kostenfolge führt. Eine weitere Ursache der mangelhaften Lambda-Konstanz liegt in dem 16 × 16- Stützstellenkennfeld, das im gesamten Motorbetriebs­ kennfeld nur eine unzureichend genaue Erfassung des Mo­ torbetriebszustandes zuläßt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Instationärsteuerung von Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art anzuge­ ben, das die o. g. Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Hierbei geht das erfin­ dungsgemäße Verfahren von einer experimentell aufge­ stellten Beziehung zwischen dem Wert des Luftmassen­ stromes m_V am Motorzylindereingang und der Saugrohr­ dichte ϕ_s aus. Zyklusweise werden über ein vorbestimm­ tes Kurbelwellenwinkel-Intervall die von dem Luftmas­ sensensor erzeugten Spannungssignale detektiert und hieraus ein Spannungsmittelwert erzeugt. Am Ende jedes KW-Intervalles wird die Saugrohrluftdichte aus den im vorangegangenen KW-Intervall gespeicherten Werten des Luftmassenstromes am Ort des Luftmassensensors, des Luftmassenstromes am Zylindereingang und der Saugrohr­ luftdichte bestimmt. Anschließend wird anhand der Luft­ massenstrom-Dichte-Funktion in Abhängigkeit der Saug­ rohrluftdichte und der Motordrehzahl ein Wert für den Luftmassenstrom am Zylindereingang ausgegeben und hier­ aus ein Motorlastwert berechnet. Ferner wird der Span­ nungsmittelwert anhand einer Spannungs-Luftmassenkenn­ linie in einen Luftmassenstromwert konvertiert und für den nächsten Zyklus gespeichert. Für diesen nächsten Zyklus werden auch die Werte des Luftmassenstromes am Zylindereingang sowie die Saugrohrluftdichte gespei­ chert.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zei­ gen:

Fig. 2 und 3 ein Ablaufdiagramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 die für das erfindungsgemäße Ver­ fahren erstellte Luftmassenstrom- Luftdichte-Funktion und

Fig. 5 den Verlauf des Luftmassenstromes am Zylindereingang als auch am Ort des Luftmassensensors bei Drossel­ klappensprüngen.

Das von einem Luftmassensensor (vgl. Fig. 1, Luftmas­ sensensor HDLM) ausgegebene Spannungssignal wird mit­ tels einer geeigneten Schaltung abgetastet, digitali­ siert und einer Steuereinheit mit Speicher, beispiels­ weise einem Mikroprozessor, zugeführt. Die Auswertung der abgetasteten Meßwerte U_i, i = 1, 2, 3, . . . erfolgt jeweils zyklusweise über ein KW-Intervall, dessen Intervallänge L eine Funktion der Taktzahl i und der Zylinderzahl z gemäß folgender Formel ist:

L = 360/i · z (°KW),

wobei i = 1 für Zweitaktmotoren und i = 0,5 für Vier­ taktmotoren gilt. Die Formel gilt ferner unter der Vor­ aussetzung, daß die Zylinder über einen Ansaugtrakt miteinander verbunden sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 ergibt sich für einen 4-Zy­ linder-Motor eine Intervallänge von 180°.

Nach Fig. 2 beginnt das Verfahren mit dem Setzen der Variablen U_s sowie des Laufindexes i, wobei die Varia­ ble U_s die Summe der Meßwerte U_i darstellt. Mit dem darauffolgenden Schritt 1 wird sukzessiv die Summe U_s der Meßwerte U_i, i = 1, 2, 3, . . . gebildet. Diese Rou­ tine wird so lange wiederholt, bis gemäß der Abfrage 2 alle Meßwerte U_i eines KW-Intervalls abgearbeitet sind.

Im darauffolgenden Schritt 3 wird der arithmetische Mittelwert U aus den Meßwerten U_i gebildet.

Im weiteren Verlauf des Verfahrens muß zunächst festge­ stellt werden, ob der Motor im instationären Betrieb arbeitet. Ein solcher Betriebszustand kann anhand des Spannungsverlaufes der Meßsignale U_i des Luftmassensen­ sors detektiert werden. Eine entsprechende Abfrage er­ folgt mit Schritt 4, wonach die Differenz des Span­ nungsmittelwertes U der Meßwerte U_i mit demjenigen Spannungsmittelwert U_alt des vorangegangenen Interval­ les gemäß folgender Formel ausgewertet wird:

(| - _alt|)/ < K,

wobei _alt der Spannungsmittelwert aus dem vorangegan­ genen KW-Intervall und K eine Konstante ist. Diese Kon­ stante K kann beispielsweise den Wert 0,25 annehmen. Liegt die entsprechende Bedingung nicht vor, wird mit dem Setzen einer Variablen k_in auf den Wert "0" ein stationärer Betrieb des Motors angezeigt und mit Schritt 41 eine entsprechende Bearbeitung der Meßsigna­ le U_i durchgeführt, dessen Inhalt Gegenstand einer parallelen Anmeldung ist.

Liegt dagegen die entsprechende Bedingung gemäß Schritt 4 vor, erfolgt die weitere Bearbeitung der Meßsignale U_i gemäß dem Ablaufschema nach Fig. 3. Zunächst wird mit Schritt 5 festgestellt, ob in dem vorausgegangenen KW-Intervall ein stationärer oder instationärer Betrieb vorlag, indem die Variable k_in abgefragt wird. Lag ein stationärer Betriebszustand vor, erfolgt die Bearbei­ tung gemäß Schritt 7, andernfalls nach Schritt 6.

Zunächst soll Schritt 6 erläutert werden, wenn also über mehrere KW-Intervalle hinweg instationäre Be­ triebszustände detektiert werden.

Zum besseren Verständnis sei nunmehr angenommen, daß zum Zeitpunkt t_n das KW-Intervall I_n bearbeitet wird und die während diesem KW-Intervall I_n bearbeiteten oder detektierten Größen den entsprechenden Index n er­ halten.

Wie schon eingangs erwähnt wurde, hängt die Speicher­ wirkung des Saugrohres von dessen Volumen V_s ab, dessen Verhalten durch die folgende Differentialgleichung be­ schrieben wird:

dϕ_s/dt = (m_L - m_V)/V_s, (4)

wobei ϕ_s die Saugrohrluftdichte in kg/m³ und m_L bzw. m_V der Luftmassenstrom am Ort des Luftmassensensors bzw. am Zylindereingang in kg/s darstellt.

Der Zusammenhang zwischen der Saugrohrdichte ϕ_s und dem Luftmassenstrom m_V am Zylindereingang stellt folgende Gleichung dar:

m_V = (n · V_M · λ_L · ϕ_s)/60 · i, (5)

wobei n die Motordrehzahl, V_M das Hubvolumen des Mo­ tors, i die Taktzahl des Motors und λ_L der Liefergrad darstellt.

Der Liefergrad λ_L ist, wie eingangs schon erwähnt wurde, direkt sehr schwierig zu berechnen. Daher wird für das weitere Verfahren eine experimentell aufge­ stellte Beziehung zwischen dem Luftmassenstrom m_V und der Saugrohrluftdichte ϕ_s gemäß obiger Formel (5) er­ mittelt. Hierzu wird in stationären Prüfstandsmessungen neben dem integralen Mittelwert des Luftmassenstroms auch der Saugrohrdruck und die Lufttemperatur im Saug­ rohr ermittelt. Aus diesen Werten läßt sich über die allgemeine Gasgleichung die Dichte berechnen. Das Er­ gebnis ist beispielhaft in Fig. 4 für eine 4-Zylinder- Maschine dargestellt, das den Luftmassenstrom in Abhän­ gigkeit der Saugrohrluftdichte bei verschiedenen Dreh­ zahlen als Parameter zeigt. Diese Luftmassenstrom-Luft­ dichte-Funktion f könnte im Speicher der Steuereinheit tabellarisch als 16 × 16-Stützstellenkennfeld abgelegt werden oder als Satz monotoner Funktionen zweiter Ord­ nung gespeichert werden. Im letzten Fall erhält man ei­ nerseits eine bessere Genauigkeit und andererseits wird weniger Speicherplatz bei gleicher Genauigkeit benö­ tigt, da nur die Koeffizienten der Funktionen zu spei­ chern sind. Diese Koeffizienten sind im folgenden mit c₁, c₂ und c₃ bezeichnet.

Die Formel 4 wird in diskretisierter Form gemäß

d_s,n = ϕ_s,n-1 + Δt (m_L,n-1 - m_V,n-1)/V_s (6)

verwendet, wobei ϕ_s,n-1, m_L,n-1 und m_V,n-1 die entspre­ chenden Werte der Saugrohrdichte und der Luftmassen­ ströme aus dem vorangegangenen KW-Intervall I_n-1 sind. Anschließend werden die zu diesem Wert der Saugrohr­ luftdichte ϕ_s,n zugehörigen Koeffizienten c₁, c₂ und c₃ anhand der abgelegten Luftmassenstrom-Luftdichte-Funk­ tion f (vgl. Fig. 4) bestimmt, die von der Motordreh­ zahl n abhängen. Hieraus wird der Wert für den Luftmas­ senstrom m_V,n gemäß der Formel

m_V,n = c₁ · ϕ²_s,n + c₂ · ϕ_s,n + c₃ (7)

berechnet. Schließlich wird noch die Konvertierung des Spannungsmittelwertes der über das KW-Intervall I_n erfaßten Meßsignale U_i in einem entsprechenden Luftmas­ senwert m_L durchgeführt. Abschließend wird eine Spei­ cherung der Werte ϕ_s,n, m_V,n und m_L,n der Saugrohrluft­ dichte, der Luftmassenströme am Ort des Zylindereingan­ ges bzw. am Ort des Luftmassensensors aus dem KW-Inter­ vall I_n für den nächsten Zyklus, der dem KW-Intervall I_n+1 entspricht, gespeichert. Damit ist der Schritt 6 gemäß Fig. 3 abgeschlossen.

Nach einer Aktualisierung des Spannungsmittelwertes _alt aus dem vorhergehenden KW-Intervall U_n-1 gemäß Schritt 8 der Fig. 3 beginnt ein neuer Zyklus.

Ein Wechsel vom stationären in einen instationären Be­ triebszustand führt gemäß des Ablaufschemas nach Fig. 3 zur Bearbeitung der Meßsignale U_i nach Schritt 7. Dort erfolgt zunächst eine Konvertierung des Spannungs­ mittelwertes der Meßsignale U_i aus dem KW-Intervall I_n in einen Luftmassenstromwert m_L,n. Da nunmehr ein instationärer Betriebszustand vorliegt, wird die Varia­ ble k_in auf den Wert 1 gesetzt. Da im vorausgegangenen KW-Intervall I_n-1 ein stationärer Betriebszustand vor­ lag, stimmen die Werte für den Luftmassenstrom am Zy­ lindereingang und am Ort des Luftmassensensors überein, es gilt also m_V,n-1 = m_L,n-1. Anschließend werden die Koeffizienten c₁, c₂ und c₃ der Luftmassenstrom-Luft­ dichte-Funktion f gemäß Gleichung (7) in Abhängigkeit der Motordrehzahl n ermittelt. Der zugehörige Wert ϕ_s,n der Saugrohrluftdichte wird durch Anwendung der bekann­ ten quadratischen Formel ermittelt. Somit sind die Wer­ te ϕ_s,n, m_L,n und m_V,n der Saugrohrdichte bzw. der Luftmassenströme am Ort des Zylindereinganges bzw. am Ort des Luftmassensensors für den nächsten Zyklus, also für das KW-Intervall I_n+1 bestimmt und können hierfür gespeichert werden.

Aus dem am Ende jedes KW-Intervalles zur Verfügung ste­ henden Wertes m_V des Luftmassenstroms am Zylinderein­ gang ermittelt die Steuereinheit in Abhängigkeit der detektierten Drehzahl n einen Wert für die Motorlast Q_L gemäß folgender Formel:

Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 5 gezeigt, die bei einer schnellen Öffnung der Drosselklappe (tip-in) als auch bei einer schnellen Schließung der Drosselklappe (tip-out) den entsprechen­ den Verlauf der Luftmassenströme am Zylindereingang als auch am Ort des Luftmassensensors zeigt. In dem Dia­ gramm nach Fig. 5 zeigt die untere Kurve den Verlauf des Drosselklappenwinkels, während die oberen beiden Kurven den Verlauf der Luftmassenströme zeigen. Bei tip-in zeigt das Diagramm ein Überschwingen des Wertes des Luftmassenstroms m_L am Ort des Luftmassensensors, während der entsprechende Verlauf des Luftmassenstroms m_V dem Verlauf des DK-Winkels entspricht. Bei tip-out ist der Verlauf des Luftmassenstromes m_V gegenüber dem­ jenigen Luftmassenstrom m_L etwas verzögert, so daß kei­ ne zu geringe Luftmasse im Motorzylinder zu erwarten ist.

Claims (1)

1. Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen im Instationärbetrieb, bei dem ein im Saugrohr im Bereich der Drosselklappe angeordneter Luftmassensensor zur Be­ stimmung des Durchsatzes der Ansaugluft im Bereich des Zylindereingangs elektrische Spannungssignale erzeugt, die mittels einer einen Speicher aufweisenden Steuer­ einheit in Motorlastwerte unter Zuhilfenahme der detek­ tierten Drehzahl umgesetzt werden, aus denen zusammen mit anderen detektierten Betriebsparametern und motor­ spezifischen Daten die für den jeweiligen Betriebspunkt erforderlichen Steuersignale für die Zündzeitpunktein­ stellung und der Kraftstoffzumessung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst im Speicher der Steuereinheit eine Luftmassenstrom-Luftdichte-Funktion (f) abgelegt wird, mittels der die Steuereinheit in Ab­ hängigkeit der Saugrohrluftdichte (ϕ_s) und der Motor­ drehzahl (n) einen Wert für den Luftmassenstrom (m_V) am Motorzylindereingang ausgibt und daß folgende Verfah­ rensschritte durchgeführt werden:

• a) Abtastung der Spannungssignale des Luftmassensen­ sors über ein vorbestimmtes Kurbelwellenwinkel (KW)-Intervall (I_n) zwecks Erzeugung von Meßsigna­ len (U_i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• b) Bildung des Spannungsmittelwertes () aus den Wer­ ten der Meßsignale (U_i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• c) Bestimmung der Saugrohrluftdichte (ϕ_s,n) mittels der Steuereinheit aus den im vorangegangenen KW- Intervall (I_n-1) gespeicherten Werten des Luftmas­ senstroms (m_L,n-1) am Ort des Luftmassensensors, des Luftmassenstroms (m_V,n-1) am Zylindereingang und der Saugrohrluftdichte (ϕ_s,n-1),
• d) Bestimmung eines Wertes für den Luftmassenstrom­ wert (m_V,n) am Zylindereingang in Abhängigkeit der Saugrohrluftdichte (ϕ_s,n) und der Motordrehzahl (n) mittels der in dem Speicher abgelegten Luft­ massenstrom-Luftdichte-Funktion (f),
• e) Konvertierung des Spannungsmittelwertes () in einen Luftmassenstromwert (m_L,n),
• f) Speicherung des Luftmassenstromwertes (m_L,n) am Ort des Luftmassensensors, des Luftmassenstromwer­ tes (m_V,n) am Zylindereingang und der Saugrohr­ luftdichte (ϕ_s,n) und
• g) Bestimmung des Motorlastwertes (Q_L) aus dem Luft­ massenstromwert (m_V,n) am Zylindereingang mittels der aktuellen Motordrehzahl (n).