WO1990015236A1 - Verfahren zum bestimmen der verbrennungsluftmasse in den zylindern einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum bestimmen der verbrennungsluftmasse in den zylindern einer brennkraftmaschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the combustion air mass which is available in the cylinders of an internal combustion engine for a specific combustion, according to the preamble of claim 1.
  • the air mass flowing through the intake manifold is measured using an air mass measurement, e.g.
  • the measured air mass is corrected using correction factors so that it corresponds to the combustion air mass.
  • the correction factors are determined on the engine test bench and in driving tests and are usually stored in a map.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method in which the correction factors can be optimally adapted again and again during operation of the internal combustion engine.
  • the solution according to the invention is characterized in claim 1.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.
  • the invention is based on the consideration that the combustion air mass can be determined precisely by measuring the compression pressure curve in the cylinders. This compression pressure is therefore continuously measured by a combustion chamber pressure sensor during each compression stroke in each cylinder. Since the pressure increase during the compression stroke is a polytropic change in state, the combustion air mass can be calculated from the crank mechanism kinematics and the thermodynamic state equations. This combustion air mass is then compared with the combustion air mass determined via the air mass measurement. If there is a deviation, the usual correction is adjusted in the further determination of the air mass so that the deviation disappears.
  • the correction is only changed if deviations have occurred several times in succession. Interference that occurs for a short time is thereby filtered out.
  • FIG. 1 shows an overview circuit diagram with the relevant parts of an internal combustion engine for carrying out the method according to the invention
  • Figure 2, 3 is a flow chart for performing the method
  • FIG 4 shows the pressure curve in a cylinder during the compression stroke
  • the intake manifold 1 of an internal combustion engine is shown schematically, through which air is supplied to the individual cylinders.
  • a throttle valve 2 is provided which is operated by the driver.
  • Each cylinder with intake and exhaust valve is assigned a fuel injection valve 3, the fuel is supplied at a constant pressure from a fuel supply system, not shown.
  • An ignition plug 7 in each cylinder is controlled by an ignition system 6.
  • a microcomputer 5 with corresponding input and output interfaces controls the fuel injection and ignition. For this purpose, it receives as input variables a position signal corresponding to the position of the throttle valve 2 and the combustion chamber pressure p via a combustion chamber pressure sensor 4 for each cylinder. Other input variables are the values derived from the corresponding sensors for the speed n, the intake air temperature TAL and the crankshaft position KW.
  • the microcomputer 5 executes the method shown in FIG. 2 before each fuel injection into one of the cylinders.
  • step S1 the position ⁇ of the throttle valve and the speed n of the internal combustion engine are read.
  • An air mass mL is then determined in step S2 from a map stored in the microcomputer 5.
  • an air mass correction factor LK is determined for the air mass mL in step S3. This is stored in a map depending on the air mass mL determined in the previous step and the speed n.
  • the values for the air mass correction factor LK have been determined experimentally and take into account the following influences in particular: - The phase error due to the storage effect of the intake manifold volume of the intake manifold 1, particularly in the case of dynamic transitions;
  • the wall film influences, especially with dynamic transitions
  • the air mass correction factor LK can also be determined via a real-time calculation, which records the influences mentioned in terms of the formula.
  • step S4 the air mass correction factor LK is then subtracted from the air mass mL and the combustion air mass mLV is thus obtained.
  • step S5 the microcomputer 5 then determines an injection time ti from this combustion air mass mLV and the speed n and opens the fuel injector 3 assigned to the corresponding cylinder for this injection time ti. As a result, the fuel quantity corresponding to the combustion air mass mLV enters the cylinder via the fuel injection valve 3 supplied with constant pressure, so that an arbitrarily adjustable, e.g. B. stoichiometric, mixture is present.
  • an arbitrarily adjustable e.g. B. stoichiometric
  • steps S6 to S10 check the combustion air mass mLV determined by means of the air mass measurement with the aid of the air mass measurement
  • Combustion chamber pressure sensor 4 measured combustion chamber pressure p instead.
  • step S6 the pressure curve during the compression stroke of the cylinder is recorded via ongoing individual measurements of the combustion chamber pressure p1 to pm.
  • the crankshaft position KW determines the beginning and end of the compression stroke.
  • Step S9 calculates the combustion air mass mLVp resulting from the pressure measurement from the crank mechanism kinematics and the thermodynamic gas equations.
  • step S10 the combustion air masses determined via the air mass measurement (steps S1 to S4) and the combustion air masses determined via the pressure measurement (steps S6 to S9) now follow. If there is no discrepancy in the comparison, the program run is ended.
  • step S11 If, on the other hand, there is a deviation, it is checked in step S11 whether this exceeds a limit value G. If this is not the case, the program run is ended again, since only slight deviations in the combustion air masses determined are irrelevant. For larger deviations, the follows
  • Step S12 To rule out temporary, short-term deviations, a check is made to determine whether there have been ten deviations. If this is the case, one or both characteristic maps of steps S2 and S3 are adapted in step S13. Depending on the size and magnitude of the deviation, individual map points or entire map areas are modified so that the combustion air mass determined via the air mass measurement becomes the same as that determined via the pressure measurement. Corresponding methods for map adaptation are described, for example, in SAE PAPER 865080. The determination of the polytropic exponent x in step S8 additionally offers a simple diagnostic option for the state of the cylinder in question.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Bestimmen der Verbrennungsluftmasse wird diese über eine Luftmassenmessung und eine Brennraumdruckmessung durchgeführt. Die über die Brennraumdruckmessung ermittelte Verbrennungsluftmasse dient als Vergleich und zur Adaption der Bestimmung der Verbrennungsluftmasse über die Luftmassenmessung.

Description

Verfahren zum Bestimmen der Verbrennungsluftnasse in den Zylindern einer Brennkraftnaschine. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Verbrennungsluftmasse die in den Zylindern einer Brennkraftmaschine für eine bestimmte Verbrennung zur Verfügung steht, gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Um bei einer Brennkraftmaschine für jeden Verbrennungstakt die richtige Kraftstoffmenge zuweisen zu können, muß die dafür zur Verfügung stehende Verbrennungsluftmasse genau bekannt sein.
Bei modernen Brennkraftmaschinen wird dazu die durchströmende Luftmasse im Saugrohr über eine Luftmassenmessung, wie z.B.
über den Öffnungswinkel der Drosselklappe, den Unterdruck oder über Hitzdrahtluftmassenmesser erfaßt. Diese gemessene Luftmasse entspricht aber noch nicht der Verbrennungsluftmasse. Verschiedene Gaslaufzeiten bei unterschiedlichen Drehzahlen, Totzeiten bei instationären Betriebszuständen, verschiedene Umgebungsbedingungen usw. bewirken einen zeitlichen und einen mengenmäßigen Unterschied der gemessenen Luftmasse bezüglich der für einen bestimmten Verbrennungstakt zur Verfügung stehenden Verbrennungsluftmasse.
Zur Kompensation dieser Einflüsse wird die gemessene Luftmasse mittels Korrekturfaktoren korrigiert, so daß sie der Verbrennungsluftmasse entspricht. Die Korrekturfaktoren werden auf dem Motorprüfstand und in Fahrversuchen ermittelt und sind üblicherweise in einem Kennfeld abgelegt.
Diese gefundenen Korrekturfaktoren führen bei der neuen Brennkraftmaschine zu einer optimalen Zuordnung der gemessen Luftmasse zur Verbrennungsluftmasse. Durch auftretende Defekte oder Alterung wird diese Zuordnung jedoch mehr und mehr verfälscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Korrekturfaktoren im Betrieb der Brennkraftmaschine immer wieder optimal angepaßt werden können. Die erfindungsgemäße Lösung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß über eine Messung des Kompressionsdruckverlaufs in den Zylindern die Verbrennungsluftmasse genau bestimmt werden kann. Dieser Kompressionsdruck wird daher über einen Brennraumdrucksensor während jedes Kompressionstakts in jedem Zylinder laufend gemessen. Da der Druckanstieg während des Kompressionstakts eine polytrope Zustandsänderung ist, kann die Verbrennungsluftmasse aus der Kurbeltriebkinematik und den thermodynamischen Zustandsgieichungen berechnet werden. Diese Verbrennungsluftmasse wird dann mit der über die Luftmassenmessung ermittelten Verbren- nungsluftmasse verglichen. Ergibt sich dabei eine Abweichung so wird bei der weiteren Luftmassenbestimmung die übliche Korrektur so angepaßt, daß die Abweichung verschwindet.
Durch die laufende Adaption der Luftmassenermittlung wird eine jedem Zylinder individuell richtige Kraftstoffmenge zugewiesen und so eine Zylindergleichstellung erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Korrektur nur dann verändert, wenn mehrmals hintereinander Abweichungen aufgetreten sind. Dadurch werden kurzzeitig auftretende Störeinflüsse ausgefiltert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 ein Übersichtsschaltbild mit den relevanten Teilen einer Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2, 3 ein Flußdiagramm zur Durchführung des Verfahrens, und
Figur 4 den Druckverlauf im einem Zylinder während des Kompressionstakts In Figur 1 ist schematisch das Saugrohr 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, über das den einzelnen Zylindern Luft zugeführt wird. Zur Steuerung der Luftmasse ist eine Drosselklappe 2 vorgesehen, die vom Fahrer betätigt wird. Jedem Zylinder mit Einlaß- und Auslaßventil ist ein Kraftstoffeinspritzventil 3 zugeordnet, dem Kraftstoff mit konstantem Druck von einer nicht dargestellten Kraftstoffversorguπgsanlage zugeführt wird.
Eine Zündkerze 7 in jedem Zylinder wird von einem Zündsystem 6 angesteuert.
Die Steuerung von Kraftstoffeinspritzung und Zündung übernimmt ein Mikrocomputer 5 mit entsprechenden Eingangs- und Ausgangsschnittstellen. Als Eingangsgrößen erhält er dazu ein Stellungssignal entsprechend der Stellung der Drosselklappe 2 sowie den Brennraumdruck p über jeweils einen Brennraumdrucksensor 4 für jeden Zylinder. Weitere Eingangsgrößen sind die von entsprechenden Sensoren abgeleiteten Werte für die Drehzahl n, die Ansauglufttemperatur TAL und die Kurbelwellenposition KW.
Der Mikrocomputer 5 führt vor jeder Kraftstoffeinspitzung in einen der Zylinder das in Figur 2 dargestellte Verfahren aus.
Beim Schritt S1 wird die Stellung α der Drosselklappe sowie die Drehzahl n der Brennkraftmaschine eingelesen. Aus einem im Mikrocomputer 5 abgespeicherten Kennfeld wird dann beim Schritt S2 eine Luftmasse mL bestimmt.
Diese Luftmasse mL entspricht nun noch nicht der Verbrennungsluftmasse mLV, die in den im Verbrennungsablauf nächstfolgenden Zylinder gelangt. Dementsprechend wird für die Luftmasse mL beim Schritt S3 ein Luftmassenkorrekturfaktor LK ermittelt. Dieser ist in einem Kennfeld abhängig von der beim vorhergehenden Schritt ermittelten Luftmasse mL und der Drehzahl n abgelegt. Die Werte für den Luftmassenkorrekturfaktor LK sind experimentell ermittelt und berücksichtigen insbesondere folgende Einflüsse: - Den Phasenfehler durch die Speicherwirkung des Saugrohrvolumens des Saugrohrs 1, insbesondere bei dynamischen Übergängen;
- den Restgasgehalt durch interne Abgasrückführung bedingt
durch die Ventilüberschneidungen;
- die Wandfilmeinflüsse, insbesondere bei dynamischen Übergängen;
- die zylinderselektive Luftzumessung bedingt durch Ventilüberschneidungen;
- die Rechenzeiten des Mikrocomputers 5;
Der Luftmassenkorrekturfaktor LK kann auch über eine Echtzeitberechnung bestimmt werden, die die genannten Einflüsse formelmäßig erfaßt.
Beim Schritt S4 wird dann der Luftmassenkorrekturfaktor LK von der Luftmasse mL abgezogen und so die Verbrennungsluftmasse mLV erhalten. Beim Schritt S5 ermittelt der Mikrocomputer 5 dann aus dieser Verbrennungsluftmasse mLV und der Drehzahl n eine Einspritzzeit ti und öffnet das dem entsprechenden Zylinder zugeordnete Kraftstoffeinspritzventil 3 für diese Einspritzzeit ti. Dadurch gelangt über das mit konstantem Druck versorgte Kraftstoffeinspritzventil 3 die der Verbrennungsluftmasse mLV entsprechende Kraftstoffmenge in den Zylinder, so daß ein beliebig einstellbares, z. B. stöchiometrisches, Gemisch vorliegt.
Gemäß dem Flußdiagramm der Figur 3 findet bei den Schritten S6 bis S10 eine Überprüfung der über die Luftmassenmessung ermittelten Verbrennungsluftmasse mLV mit Hilfe des über den
Brennraumdrucksensor 4 gemessenen Brennraumdrucks p statt. Beim Schritt S6 wird der Druckverlauf während des Kompressionstakts des Zylinders über laufende Einzelmessungen des Brennraumdrucks pl bis pm erfaßt. Anfang und Ende des Kompressionstakts bestimmt dabei die Kurbelwellenposition KW.
Dieser Vorgang ist in Figur 4 gezeigt. Darin ist der Druckverlauf in dem Zylinder während des Kompressionstakts zwischen den Kurbelwellenpositionen KWl bis KW2 gezeigt. Da der Druckverlauf während des Kompressionstakts eine polytrope Zustandsänderung ist, bleibt dabei der Polytropenexponent x konstant. Dieser wird bei den Schritten S7 und S8 bestimmt. Δ ist dabei die Summe der Druckunterschiede von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Einzelmessungen. Der Polytropenexponent x ergibt sich aus Δ dividiert durch die Zahl der Einzelmessungen m.
Mit dem Polytropenexponenten x und den bekannten Abmessungen des Zylinders wird dann beim. Schritt S9 die sich aus der Druckmessung ergebende Verbrennungsluftmasse mLVp aus der Kurbeltriebkinematik und den thermodynamischen Gasgleichungen berechnet. Beim Schritt S10 folgt nun der Vergleich der über die Luftmassenmessung (Schritte S1 bis S4) und der über die Druckmessung (Schritte S6 bis S9) ermittelten Verbrennungsluftmassen. Ergibt der Vergleich keine Abweichung, so wird der Programmlauf beendet.
Ist dagegen eine Abweichung vorhanden, so wird beim Schritt S11 geprüft, ob diese einen Grenzwert G übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so wird wiederum der Programmlauf beendet, da nur geringfügige Abweichungen der ermittelten Verbrennungsluftmassen keine Rolle spielen. Bei größeren Abweichungen folgt der
Schritt S12. Um vorübergehende kurzzeitige Abweichungen auszuschließen, wird dabei geprüft, ob zehnmal eine Abweichung aufgetreten ist. Ist dies der Fall, wird beim Schritt S13 eines oder beide Kennfelder der Schritte S2 und S3 adaptiert. Je nach Größe und Höhe der Abweichung werden dabei einzelne Kennfeldpunkte oder auch ganze Kennfeldbereiche so abgeändert, daß die über die Luftmassenmessung ermittelte Verbrennungsluftmasse der über die Druckmessung ermittelten gleich wird. Entsprechende Verfahren zur Kennfeldadaption sind z.B. im SAE PAPER 865080 beschrieben. Die Ermittlung des Polytropenexponenten x beim Schritt S8 bietet zusätzlich eine einfache Diagnosemöglichkeit für den Zustand des betreffenden Zylinders. Mit zunehmender Alterung tritt in den Zylindern ein Luftverlust (Blowby) auf, der durch den Verschleiß der Kolbenringe und der dadurch verursachten Verschlechterung der Abdichtung bedingt ist. Ohne diesen Luftverlust - also bei vollkommen intaktem Zylinder - hat der Polytropenexponent x einen bestimmten konstanten Wert. Zur Diagnose wird daher die Änderung der Polytropenexponenten herangezogen. Die Höhe der Änderung ist dann ein Maß für den Luftverlust und damit für den Zustand des Zylinders. Die auftretenden Änderungen werden daher abgespeichert und können bei der nächsten Motordiagnose von einem entsprechenden Diagnosegerät abgefragt werden. Ebenso können die Änderungen von einem im Fahrzeug befindlichen Diagnosesystem ausgewertet werden, wodurch z.B. der Fahrer rechtzeitig vor sich anbahnenden Defekten gewarnt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der Verbrennungsluftmasse, die in einem oder mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine für eine bestimmte Verbrennung zur Verfügung steht,
wobei über eine Luftmasssenmessung im Saugrohr laufend die angesaugte Luftmasse gemessen wird,
wobei diese gemessene Luftmasse einer Korrektur unterzogen wird, so daß sie der Verbrennungsluftmasse entspricht,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß über eine Brennraumdruckmessung der Druck in jedem Zylinder gemessen wird,
daß aus dem Druckverlauf während eines Kompressionstakts die Verbrennungsluftmasse für jeden Zylinder bestimmt wird und daß durch eine Adaption der Korrektur der Unterschied zwischen der über die Luftmassenmessung und die Brennraumdruckmessung ermittelten Verbrennungsluftmassen kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Adaption erst durchgeführt wird, wenn mehrmals Unterschiede bei den ermittelten Verbrennungsluftmasseπ aufgetreten sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Korrektur über eine Echtzeitberechnung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Korrektur über mindestens ein Kennfeld erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß aus dem Druckverlauf während eines Kompressionstakts der Luftverlust ("Blowby") mittels der Polytropengleichung aus den Abweichungen der ermittelten Polytropenkonstanten x gegenüber der Polytropenkonstanten x für einen intakten Zylinder bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß aus dem Ausmaß des Luftverlusts eine Information abgeleitet wird, die Aufschluß über einen Alterungseffekt oder einen Defekt der Brennkraftmaschine gibt und diese Information für ein Diagnosesystem benutzt wird.
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