EP0991859B1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung von brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur steuerung von brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0991859B1
EP0991859B1 EP98929299A EP98929299A EP0991859B1 EP 0991859 B1 EP0991859 B1 EP 0991859B1 EP 98929299 A EP98929299 A EP 98929299A EP 98929299 A EP98929299 A EP 98929299A EP 0991859 B1 EP0991859 B1 EP 0991859B1
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pressure
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air
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04Introducing corrections for particular operating conditions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04Engine intake system parameters
    • F02D2200/0418Air humidity

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a Internal combustion engine in a damp environment.
  • EP 509 496 B1 discloses a control device for a gas turbine burner for achieving stable combustion with limited NO x emissions, comprising a device for measuring a property of the fresh air, namely the temperature and / or the humidity, and a device for correcting the fresh air Flow rate or the ratio of fuel flow rate to fresh air flow rate corresponding to the change in the measured property so that the operating point of the burner is kept in a stable combustion range, with further means for the prior determination and storage of a boundary line for stable combustion between the stable combustion area and an unstable combustion area in a coordination level of the fresh air flow rate and / or the ratio of fuel flow rate to fresh air flow rate and the temperature and / or humidity of the fresh air for each turbine load and a device for determining the instantaneous working point of the burner is provided in these coordinates, the absolute humidity of the fresh air preferably being measured.
  • a disadvantage of the known control device is that it is relatively complex since various characteristic curves have to be determined in advance and the intended control process, which is controlled by a microprocessor
  • DE 44 40 796 A1 describes a method and a device for suction and Admixing at least one additive into a fluid flow, in particular of fresh air in a fuel flow, the additive passing through a negative pressure generated by the fluid flow when intimately mixed with the Fluid is sucked in.
  • the moisture content or the relative The moisture content of the additive must be reduced before mixing Reduce pollutant exchange.
  • the apparatus is disadvantageous in terms of apparatus Effort that complicates the use especially in motor vehicles.
  • US-A-5,586,524 is an intake system of a two-stroke internal combustion engine known with a temperature sensor, a humidity sensor and a Pressure sensor. The data from these sensors are used in the control unit to calculate the Fuel injection quantity used.
  • the invention is therefore based on the technical problem, a method and a To create a device for controlling internal combustion engines, by means of which a simple adjustment of the internal combustion engine taking into account the air humidity is possible.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment explained.
  • the single figure shows a schematic block diagram of the device for Control of a motor vehicle engine.
  • the device for control comprises a temperature sensor 1, a sensor 2 for detecting the relative humidity, a pressure sensor 3, a storage element 4 and a control device 5.
  • the motor vehicle engine comprises an engine block 6, in which the individual cylinders are arranged, an air intake 7, a downstream air filter 8, an intake manifold 9, an intake tract 10, air inlets 11 for the individual cylinders and an exhaust pipe 12.
  • a fuel line is provided, with an injection system 13 controlling the amount of fuel individually for each cylinder.
  • the temperature sensor 1, the sensor 2 and the pressure sensor 3 are arranged in front of the air intake 7 and each detect temperature T f L , relative humidity and the total pressure p of the humid air.
  • the detected temperature T f L is transferred to the storage element 4, in which a function of the saturation pressure of the water vapor p "(T f L ) is filed.
  • This correction factor F f L is transferred to the injection system 13 and multiplied there by a nominated injection time, so that the amount of fuel supplied to the cylinders is also adapted accordingly.
  • the amount of fuel supplied to the cylinder is adapted to the amount of oxygen present, which is dependent on the air humidity.
  • the pressure sensor 3 measures the air pressure, an air pressure meter, which is usually already present, can take over its task for the height correction.
  • the temperature sensor 1, the sensor 2 and the pressure sensor 3 can also be arranged behind the air filter 8 or in the intake tract 10.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in feuchter Umgebung.
Im allgemeinen wird bei der Abstimmung von Motoren dem Wasserdampfgehalt der angesaugten Luft wenig Beachtung geschenkt, weil bei normalen Abstimmbedingungen die Temperatur der Luft niedrig und damit der Wasserdampfgehalt der Luft vernachlässigbar klein ist. Während des Betriebes bei hohen Lufttemperaturen und hoher Luftfeuchte, wie beispielsweise in tropischen Klimazonen vorliegend, nimmt der Wasserdampfgehalt der Luft nicht mehr zu vernachlässigende Größenordnungen an. Dies kann dazu führen, daß die für die Abstimmung der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmasse um mehr als 10% zu hoch ist. Bei Kraftfahrzeugen mit Otto-Motoren mit -Regelung wird dieser Fehler automatisch ausgeregelt, wobei dies jedoch eine gewisse Zeit erfordert und aufgrund des großen Regelbereiches zu Ungenauigkeiten führt. Bei Dieselmotoren hingegen scheidet eine solche Regelung gänzlich aus. Daher wird bei Dieselmotoren eine Voreinstellung getätigt, die entweder auf maximale Leistung oder minimale Emission gerichtet ist. Dazu kann der Dieselmotor auf maximale Feuchte eingestellt werden, was jedoch zu Leistungseinbußen führt, oder aber es kommt bei höherer Luftfeuchtigkeit zu verstärkter Rußbildung.
Aus der EP 509 496 B1 ist eine Regelvorrichtung für einen Gasturbinenbrenner zur Erzielung einer stabilen Verbrennung mit begrenzter Nox -Emission bekannt, umfassend eine Einrichtung zur Messung einer Eigenschaft der Frischluft, nämlich der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit, eine Einrichtung zur Korrektur der Frischluft-Strömungsrate oder des Verhältnisses von Kraftstoff-Strömungsrate zu Frischluft-Strömungsrate entsprechend der Änderung in der gemessenen Eigenschaft, so daß der Arbeitspunkt des Brenners in einem stabilen Verbrennungsbereich gehalten wird, wobei eine weitere Einrichtung zur vorherigen Bestimmung und Speicherung einer Grenzlinie für stabile Verbrennungen zwischen dem stabilen Verbrennungsbereich und einem instabilen Verbrennungsbereich in einer Koordinationsebene der Frischluft-Strömungsrate und/oder des Verhältnisses von Kraftstoffströmungsrate zu Frischluft-Strömungsrate sowie der Temperatur und/oder Feuchtigkeit der Frischluft für jede Turbinenlast und eine Einrichtung zur Bestimmung des momentanen Arbeitspunktes des Brenners in diesen Koordinaten vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die absolute Feuchtigkeit der Frischluft gemessen wird. Nachteilig an der bekannten Regelvorrichtung ist, daß diese relativ aufwendig ist, da diverse Kennlinien vorab zu bestimmen sind und der vorgesehene Regelvorgang, der durch einen Mikroprozessor gesteuert wird, sehr komplex ist.
Aus der DE 44 40 796 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansaugen und Beimischen wenigstens eines Zusatzstoffes in eine Fluidströmung bekannt, insbesondere von Frischluft in eine Brennstoffströmung, wobei der Zusatzstoff durch einen von der Fluidströmung erzeugten Unterdruck bei inniger Vermischung mit dem Fluid angesaugt wird. Dazu ist vorgesehen, daß der Feuchtigkeitsgehalt bzw. die relative Feuchtigkeit des Zusatzstoffes vor dem Beimischen herabgesetzt werden, um den Schadstoffaustausch zu reduzieren. Nachteilig an der Vorrichtung ist der apparative Aufwand, der den Einsatz insbesondere in Kraftfahrzeugen erschwert.
Ferner ist aus US-A-5,586,524 ein Ansaugsystem einer Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt mit einem Temperatur-Sensor, einem Feuchtigkeitssensor und einem Drucksensor. Die Daten dieser Sensoren werden im Steuergerät zum Berechnen der Kraftstoffeinspritzmenge benutzt.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Brennkraftmaschinen zu schaffen, mittels derer eine einfache Anpassung der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit möglich ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3.
Durch die Ermittlung eines Korrekturfaktors aus den erfaßten Werten für die Temperatur und die relative Luftfeuchte, mitiels dessen die Brennstoffmenge an die äußeren Umgebungsparameter bzw. die verfügbare Sauerstoffmasse angepaßt wird, ergibt sich ein reduzierter Emissionsausstoß und Brennstoffverbrauch ohne Leistungseinbußen. Des weiteren kann auf aufwendige Regelvorrichtungen verzichtet werden und statt dessen eine Steuerung Anwendung finden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftfahrzeugmotors.
Die Vorrichtung zur Steuerung umfaßt einen Temperatursensor 1, einen Sensor 2 zur Erkennung der relativen Feuchte, einen Drucksensor 3, ein Speicherelement 4 und ein Steuergerät 5. Der Kraftfahrzeugmotor umfaßt einen Motorblock 6, in dem die einzelnen Zylinder angeordnet sind, eine Luftansaugung 7, einen nachgeschalteten Luftfilter 8, einen Ansaugkrümmer 9, einen Ansaugtrakt 10, Luftzuführungen 11 für die einzelnen Zylinder und eine Abgasleitung 12. Zusätzlich ist eine Kraftstoffieitung vorhanden, wobei eine Einspritzanlage 13 zylinderindividuell die Kraftstoffmenge steuert. Der Temperatursensor 1, der Sensor 2 und der Drucksensor 3 sind vor der Luftansaugung 7 angeordnet und erfassen jeweils Temperatur TfL , relative Feuchte und den Gesamtdruck p der feuchten Luft. Die erfaßte Temperatur TfL wird an das Speicherelement 4 übergeben, in dem eine Funktion des Sättigungsdruckes des Wasserdampfes p" (TfL ) abgelegt ist. Der zur erfaßten Temperatur TfL zugehörige Sättigungsdruck des Wasserdampfes p" (TfL ), erfaßte relative Feuchte und der Gesamtdruck p werden in dem Steuergerät 5 zu einem Korrekturfaktor FfL gemäß folgender Beziehung zusammengefaßt: FfL = 1 - p"(TfL )p * ϕ
Dieser Korrekturfaktor FfL wird an die Einspritzanlage 13 übergeben und dort mit einer nominierten Einspritzzeit multipliziert, so daß entsprechend auch die den Zylindern zugeführte Kraftstoffmenge angepaßt ist. Über den Korrekturfaktor FfL wird die dem Zylinder zugeführte Kraftstoffmenge der vorhandenen Sauerstoffmenge angepaßt, die von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Da der Drucksensor 3 den Luftdruck mißt, kann ein meist bereits vorhandener Luftdruckmesser für die Höhenkorrektur dessen Aufgabe übernehmen. Alternativ können der Temperatursensor 1, der Sensor 2 und der Drucksensor 3 auch hinter dem Luftfilter 8 oder im Ansaugtrakt 10 angeordnet werden.
Nachfolgend wird die Herleitung des Korrekturfaktors FfL näher erläutert. Hierzu wird der Ausdruck FfL = RL RfL * 11+mD/mL untersucht, der den Einfluß der Luftfeuchte auf die zur Reaktion im Zylinder zur Verfügung stehende trockene Luftmasse beschreibt. Dabei bedeuten
R = Gaskonstante,
m = Masse
und die Indizes stehen hier und im Folgenden für
fL = feuchte Luft
L = trockene Luft und
D = Wasserdampf.
Für die Gesamtmasse der feuchten Luft gilt mfL = mL + mD. Dies läßt sich mit den Molmassen Mi und den Substanzmengen ni auch ausdrücken als nfL × MfL = nL * ML + nD * MD oder mit den Molanteilen vi MfL = vL * ML + vD * MD. Da die Summe aller Molanteile eines Gasgemisches gleich 1 ist, ergibt sich hier für den Molanteil der trockenen Luft vL = 1 - vD, so daß für das Verhältnis der Molmassen von feuchter zu trockener Luft auch geschrieben werden kann
Figure 00050001
Aus der Beziehung für die allgemeine Gaskonstante R = RfL * MfL = RL * ML läßt sich dann das Verhältnis der Gaskonstante von trockener zu feuchter Luft berechnen. Das Massenverhältnis von Wasserdampf zu trockener Luft wird ebenfalls über die Substanzmengen und deren Molmassen ausgedrückt mD mL = nD nL * MD ML = ξ * MD ML wobei nL / nD = ξ molares Feuchteverhältnis [MolD / MolL] genannt wird, das über die relative Feuchte der Luft errechenbar ist. Es gilt ξ = ϕ * p"(TfL )p - ϕ * p"(TfL ) mit den am gleichen Ort zu bestimmenden Größen
ϕ =
relative, Luftfeuchte
p =
(Gesamt-) Druck der feuchten Luft und
p"(TfL ) =
Sättigungsdruck des Wasserdampfes für die am Ort herrschende Temperatur der feuchten Luft TfL .
Wird jetzt noch der Molanteil des Wasserdampfes mit dem Feuchtverhältnis ausgedrückt, vD = nD nfL = nD nD + nL = nD/nL 1 + nD/nL = ξ1 + ξ so ergibt sich für das Verhältnis der Gaskonstanten bzw. der Molmassen
Figure 00060001
Für den gesuchten Ausdruck der den Einfluß der Luftfeuchte auf die Einspritzdauer beschreibt, folgt daraus
Figure 00060002
oder FfL = 1 - p"(TfL )p * ϕ
Aus dem Fehlerfortpflanzungsgesetz folgt für den relativen Fehler ΔFfL /FfL des Feuchtefaktor FfL ΔFfL FfL = ± p"(TfL ) * ϕp - p"(TfL ) * ϕ * Δp2 p2 + Δp"2 p"2 + Δϕ2 ϕ2
Wird für den Umgebungsdruck p = 1 bar und dessen relativen Fehler Δp/p = ± 3 % angesetzt, daß ist die Bandbreite in der der Umgebungsdruck gewöhnlich schwankt, für die relative Feuchte der größtmögliche Wert ϕ = 1, mit einer realistischen Meßungenauigkeit von Δϕ= ± 10 % und den relativen Fehler mit dem der Sättigungsdruck zu bestimmen ist zu Δp" / p "= ± 5 % angenommen, so ergeben sich für den Feuchteeinflußfaktor FfL und dessen relativen Fehler ΔFfL /FfL die in folgender Tabelle in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dargestellten Werte.
TfL
( °C)
p"(TfL )
(bar)
FfL
( - )
± FfL /FfL
( % )
- 40 0.000124 0.99988 0.001434
- 30 0.000373 0.99963 0.004324
- 20 0.001029 0.99897 0.011908
- 10 0.002594 0.99741 0.030065
0 0.006107 0.99389 0.071031
10 0.012271 0.98773 0.143615
20 0.02337 0.97663 0.276622
30 0.04242 0.95758 0.512098
40 0.07375 0.92625 0.920432
50 0.12335 0.87665 1.626563
60 0.19920 0.80080 2.875564
70 0.31160 0.68840 5.232563
Aus der Beispielrechnung ist zu ersehen, daß der Feuchteeinfluß bei hohen Umgebungstemperaturen nicht vernachlässigt werden sollte, aber auch , daß die Fehler bei relativ ungenauer Bestimmung der relativen Luftfeuchte nicht wesentlich ins Gewicht fallen. Insbesondere kann mit einem Umgebungsdruck von p = 1 bar gerechnet werden, so daß eine Messung des Umgebungsdruckes entfallen kann.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit, insbesondere für Kraftfahrzeuge mittels mindestens eines Temperatursensors (1) und eines Sensors (2) zur unmittelbaren oder mittelbaren Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ, umfassend folgende Verfahrensschritte:
    a) Erfassung der Temperatur TfL der Luft und der relativen Luftfeuchte ϕ,
    b) Ermittlung des Sättigungsdruckes p" (TfL ) des Wasserdampfes für die erfaßte Temperatur TfL
    c) Ermittlung eines Korrekturfaktors Ff L = 1 - p"(TfL )p * ϕ wobei der Gesamtdruck p der feuchten Luft wahlweise als konstant angenommen oder zusätzlich erfaßt wird und
    d) Ermittlung einer angepaßten Brennstoffmenge mittels des Korrekturfaktors FfL , die der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Korrekturfaktors FfL die Einspritzzeit der Brennstoffmenge angepaßt wird.
  3. Vorrichtung zur Ansteuerung von Brennkraftmaschinen , umfassend ein Steuergerät (5), einen Temperatursensor (1) und einen Sensor (2) zur unmittelbaren oder mittelbaren Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ, wobei der Temperatursensor (1) und der Sensor (2) zur Erfassung der relativen Luftfeuchte ϕ vor oder in einem Ansaugtrakt (10) der Brennkraftmaschine angeordnet sind, die Sensorausgänge mit dem Steuergerät (5) verbunden sind und das Steuergerät (5) den Korrekturfaktor nach Schritt c aus Anspruch 1 berechnet und die Brennstoffmenge diesem Korrekturfaktor anpaßt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (3) zur Erfassung des Druckes p der angesaugten Luft vor oder im Ansaugetrakt angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem Ansaugtrakt angeordnete Drucksensor (3) als Höhenkorrektur-Drucksensor ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (5) ein Speicherelement (4) zugeordnet ist, in dem die Kennlinie p"(TfL ) des Sättigungsdruckes des Wasserdampfes abgelegt ist, welche dann gemäß Anspruch 1 definiert einsetzbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät (5) ein Algorithmus abgelegt ist, mit dem der Sättigungsdruck p"(TfL ) des Wasserdampfes berechenbar ist, so daß dieser dann wie im Anspruch 1 definiert einsetzbar ist.
EP98929299A 1997-06-28 1998-05-12 Verfahren und vorrichtung zur steuerung von brennkraftmaschinen Expired - Lifetime EP0991859B1 (de)

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