WO2015176930A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2015176930A1
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Thomas Burkhardt
Jürgen DINGL
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D2200/0414—Air temperature

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating an internal combustion engine with one or more cylinders, to which gas inlet valves are assigned in each case.
  • the object underlying the invention is to provide a method and a device for operating an internal combustion engine, which makes a contribution to a reliable and low-emission operation of the internal combustion engine.
  • the invention is characterized on the one hand by a method and on the other hand by a corresponding device for operating an internal combustion engine with an intake tract and one or more cylinders, which are each associated with gas inlet valves and gas outlet valves, gas exchange valves comprising gas inlet valves and gas outlet valves.
  • a model ⁇ temperature of a gas in the intake system for a current time is cyclically determined depending on a predetermined intake manifold and free of a temperature measurement value of the gas, which is assigned to the current time.
  • the model temperature is determined for the current time depending on a model temperature determined for a previous time.
  • a cylinder air mass is determined, which is located after closing the gas exchange valves in the respective cylinder.
  • the first operating state is in particular a transient operating state.
  • the previous time is particularly associated with the last cycle.
  • a temperature sensor in the intake tract often has a relatively large delay.
  • a cylinder air mass By the cylinder air mass is determined free of a temperature measured value, which is assigned to the current time, a cylinder air mass can be very quickly ⁇ averaged and thereby contribute to a reliable and low-emission operation of the internal combustion engine, since the cylinder air mass as a basis for the fuel measurement can be used.
  • a temperature measured value of the gas be ⁇ riding provided which is representative of a temperature of the gas at the present time is in a second operating condition.
  • a temperature correction value is determined.
  • the temperature correction value is assigned to the intake manifold model and, at least in the first and the second operating state, the model temperature for the current state is determined as a function of the temperature correction value by means of the intake manifold model.
  • the second operating state is in particular a quasi-stationary operating state.
  • the quasi-stationary operating state is characterized, for example, in that all input signals of the intake manifold model are essentially constant for a predetermined time, such as several seconds.
  • the temperature measurement value of the gas which is representative of a temperature of the gas at the present time, for example, the temperature measurement value of the gas, which is assigned to the current point in time or is a Temperature reading of the gas associated with the previous time.
  • the temperature correction value is determined, for example, such that the difference between model temperature and
  • Temperature reading is minimized.
  • introduction of an additional, non-physically modeled model input "heat flow through the intake manifold wall" corrected by means of the temperature correction value such that the difference between Model temperature and temperature reading is minimized.
  • the determination of the cylinder air mass can be particularly accurate.
  • the temperature measurement value of the gas be ⁇ riding provided, which is representative of a temperature of the gas at the present time and the model temperature is adjusted according to the current time from the provided measured temperature value is in the second operating state.
  • the model temperature can be easily adjusted to the temperature reading.
  • This adaptation can in turn be used in a change to the first operating state, since in the first operating state, the model temperature is determined for the current time depending on a Mo ⁇ delltemperatur which was determined for a previous time. As a result, thus, the cylinder air mass in Both operating conditions are determined very accurately and still very fast.
  • the model temperature for the current time is adjusted depending on the temperature measured value provided by the Mo ⁇ delltemperatur is corrected by a predetermined factor in the direction of the temperature reading.
  • the model temperature for the current time is adjusted depending on the provided temperature measurement by the Mo ⁇ delltemperatur is corrected depending on the amount of the difference of the model temperature and the provided temperature measured value in the direction of the temperature reading.
  • a model pressure of a gas in the intake tract for a current time is cyclically determined depending on the given intake manifold model and free of a pressure reading of the gas, which is assigned to the current time.
  • the model pressure is determined for the current time depending on a model pressure determined for a previous time.
  • the cylinder air mass is determined. .
  • a pressure sensor in the intake tract may optionally
  • a cylinder air mass By the cylinder air mass is determined free of a the pressure measurement, which is assigned to the current time, a cylinder air mass can be determined very quickly and thereby contribute to a reliable and low-emission operation of the internal combustion engine, since the cylinder air mass as a basis for the Kraftstoffzu - Measurement can be used.
  • a pressure measurement value of the gas is provided ⁇ in the second operating condition which is representative of a pressure of the gas at the present time.
  • a pressure correction value is determined depending on the model pressure for the current time and the provided pressure reading. The pressure correction value is assigned to the intake manifold model and, at least in the first and the second operating state, the model pressure for the current state is dependent on the pressure correction value by means of the
  • the pressure correction value is determined, for example, such that the difference between model pressure and pressure measurement value is minimized.
  • a model size of the draft tube model that is representative of the effective
  • Pressure correction value corrects to minimize the difference between model pressure and pressure reading. In this way, the determination of the cylinder air mass can be particularly accurate.
  • a pressure measurement value of the gas is provided ⁇ in the second operating condition which is representative of a pressure of the gas at the present time and the model for the current pressure is Time adjusted depending on the provided pressure reading.
  • the pressure reading of the gas representative of a pressure of the gas at the current time for example, the pressure reading of the gas associated with the current time or a pressure reading is of the gas associated with the previous time.
  • the values of the pressure sensor essentially do not change.
  • the model pressure can be easily adapted to the pressure reading. This adaptation can in turn be used when changing over to the first operating state, since in the first operating state the model pressure is determined as a function of a model pressure that was determined for a preceding time. In this way, therefore, the cylinder air mass can be determined in both operating conditions particularly accurate and still very fast.
  • the model pressure for the current time is adapted as a function of the provided pressure measurement value by correcting the model pressure by a predetermined factor in the direction of the pressure measurement value.
  • the correction of the cylinder air mass can be particularly robust and very simple, since, for example, very few calculation steps are necessary for the correction.
  • the model pressure for the current time is adjusted depending on the pressure measurement provided by the model pressure is corrected in the direction of the pressure reading depending on the amount of the difference of the model pressure and the provided pressure reading.
  • the correction of the cylinder air mass can be ⁇ be particularly robust and very accurate, since the difference is used for the correction in a simple way.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine with an associated
  • Control device Figure 2 shows a detail of an intake tract of the internal combustion ⁇ engine
  • Figure 3 is a applied to a function x (t) Trapezin ⁇ tegrationsformel
  • An internal combustion engine comprises an intake tract 1, an engine block 2, a cylinder head 3 and an exhaust tract 4.
  • the intake tract 1 preferably comprises a throttle valve 5, a collector 6 and an intake manifold 7, which is guided towards a cylinder ZI via an inlet channel into a combustion chamber 9 of the engine block 2.
  • the engine block 2 comprises a crankshaft 8, which is coupled via a connecting rod 10 with a piston 11 of the cylinder ZI.
  • the internal combustion engine preferably comprises, in addition to the cylinder ZI, further cylinders Z2, Z3, Z4.
  • the internal combustion engine can also be any other number of cylinders um- believe it.
  • the internal combustion engine is preferably arranged in a power vehicle ⁇ .
  • an injection valve 18 and a spark plug 19 are preferably arranged in the cylinder head 3.
  • the injection ⁇ valve 18 may be also arranged in the suction pipe. 7
  • an exhaust gas catalyst 21 is preferably arranged, which is preferably designed as a three-way catalyst.
  • a phase-adjusting device may be provided, which is coupled, for example, with the crankshaft 8 and an intake camshaft.
  • the intake camshaft is coupled to a gas inlet valve 12 of the respective cylinder.
  • the phase-adjusting device is designed to enable an adjustment of a phase of the intake camshaft to the crankshaft 8.
  • the phase adjusting device can in principle be alternatively or additionally also be configured to adjust a phase of an exhaust camshaft to the crankshaft 8, wherein the exhaust camshaft is coupled to a gas discharge valve ⁇ . 13
  • a switching flap or another switching mechanism for changing an effective intake pipe length in the intake tract 1 may also be provided.
  • one or more swirl flaps can be provided.
  • a supercharger can also be provided, which can be designed, for example, as an exhaust-gas turbocharger and thus comprises a turbine and a compressor.
  • a control device 25 is provided, which is associated with sensors which detect different measured variables and in each case the Determine measured value of the measured variable.
  • Operating variables of the internal combustion engine include the measured variables and variables derived from the measured variables.
  • the control device 25 is designed ⁇ to determine dependent on at least one measured variable manipulated variables, which are then converted into one or more control signals for controlling the actuators by means of appropriate actuators.
  • the control device 25 may also be referred to as an apparatus for operating the internal combustion engine.
  • the sensors are, for example, a pedal position sensor 26 which detects an accelerator pedal position of an accelerator pedal 27, an air mass sensor 28, the upstream an air mass flow of the throttle valve 5, a throttle position sensor 30 that detects an opening degree of the throttle valve 5, an order ⁇ papierschristsensor 32 detects an ambient pressure of an environment of the internal combustion engine, a Saugrohrchristsensor 34 which detects an intake manifold pressure in the collector 6, a crankshaft angle sensor 36 which detects a crankshaft angle, which is then assigned a speed of the internal combustion engine.
  • an exhaust gas probe 42 is provided, which is arranged upstream of the catalytic converter 21 and detects, for example, a residual oxygen content of the exhaust gas of the internal combustion engine and whose measurement signal is representative of an air / fuel ratio upstream of the exhaust gas probe 42 before combustion.
  • an intake camshaft sensor or an exhaust camshaft sensor may be provided.
  • a temperature sensor is preferably provided, which detects an ambient temperature of the internal combustion engine, and / or another temperature sensor is provided, whose measurement signal is representative of an intake air temperature in the intake tract 1, which can also be referred to as intake manifold temperature.
  • an exhaust gas pressure sensor may also be provided, the measurement signal of which is representative of an exhaust manifold pressure, that is to say a pressure in the exhaust gas tract 4.
  • the actuators are, for example, the throttle valve 5, the gas inlet and gas outlet valves 12, 13, the injection valve 18 or the phase-adjusting device or the spark plug 19 or an exhaust gas recirculation valve.
  • the air-fuel ratio ie the ratio of the air mass m a j r C yi participating in the combustion in the cylinder, which can also be referred to as cylinder air mass, to the fuel mass mfuel participating in the combustion in the cylinder is an important influencing factor for the pollutant emissions internal combustion engine.
  • the cylinder air mass m a i r C yi is estimated in the control device (engine control unit) due to many verglag ⁇ Barer sizes, and serves as the basis for the power ⁇ stoffzutul. To comply with current and future emission limits, the cylinder air mass in the engine control unit must be accurately known to a few percent under all steady-state and transient engine operating conditions.
  • the intake manifold pressure p im can also be referred to as a model pressure of a gas in the intake tract 1.
  • the intake pipe temperature 7i m can also be referred to as the model temperature of a gas in the intake tract 1.
  • Modern internal combustion engines are practically always equipped with the further temperature sensor for measuring the gas temperature in the intake tract 1, which can also be referred to as intake manifold temperature sensor.
  • Typical intake manifold temperature sensors for mass production show strong PTI behavior
  • modern internal combustion engines are practically always equipped with the intake manifold pressure sensor 34 and / or the air mass sensor 28, each with a negligible time constant (a few milliseconds).
  • Either the measured intake pipe pressure p in mes can be used directly as a model input for determining the cylinder air mass or modeled by means of a state observer (generally referred to as intake manifold model) and the measured intake manifold pressure p in the mes or measured air mass flow with 3-b balanced intake manifold pressure Pim mdl a - * - s model input can be used to determine the cylinder air mass.
  • the intake manifold temperature can be used as a model input for determining the cylinder air mass.
  • the considered system comprises the intake tract 1 a
  • the intake manifold pressure p in the non-affected mass flows min, q + lr m, q + 2 r- m, q + r (out of r sources with known gas states that swelling pressures POQ + l ' ⁇ , ⁇ 7 + 2'-Po, q + r and source temperatures ⁇ 0) (? + ⁇ , T 0> q + 2 , ... TQ, q + r) -
  • Volume V im is equal to the sum of displacement work
  • the potential energy of the gas in the intake tract 1 W pot can be neglected because there is no significant height difference between intake tract entry and exit and the potential energy of gases is generally negligible due to their relatively small density.
  • the kinetic energy of the gas in the intake tract 1 W pot can be neglected because there is no significant height difference between intake tract entry and exit and the potential energy of gases is generally negligible due to their relatively small density.
  • Gas in the intake manifold w kin is for the operation of internal combustion engines ⁇ relevant pressure and temperature range by at least a factor of 100 smaller than the respective cut-throat working and heat energy of the gas and can therefore be neglected. As enthalpy of the gas in the intake tract 1 results so
  • H im H ⁇ m in h ini ) -m out -h out ((12))
  • the effluent masses have intake pipe temperature T [ m , which is the specific enthalpy of the discharge mass flow foout C p ((13)
  • TQ I that is the specific enthalpy of the ith
  • Equation ((12)) yields q +
  • Intake tract 1 ((1)) delivers after the time
  • Pim * n + Pim ' ,, TM in, ' R 'T in, + TM ⁇ , ' R 'T in, ((1) Because of the constant intake manifold volume, Pi m 'V is in the - 0 sub
  • Old intake pipe temperature in, n- and old intake pipe temperature gradient ⁇ im, n- are at n from the previous one
  • T im G 0jl + -
  • Tim G 0, l + ⁇ ⁇ ⁇ inj (Pim) " ⁇ T 0, i ⁇ T im)) + E ' ⁇ i TM * ' ⁇ T , k ⁇ T im))
  • T im G 0A + G 0.2 + GT im
  • Equation ((51)) is thus simplified and on to
  • intake manifold pressure Pj m nd intake manifold be modeled as the time n from equations ((60)), ((62)) and ((65))
  • one or more inputs of the model can be corrected automatically so that the model deviations T in> mes - T in> md i and / or p in> mes - p in> mdl are minimized.
  • a temperature reading of the gas is provided which is representative of a temperature of the gas at the current time.
  • a temperature correction value is determined.
  • the temperature correction value is assigned to the intake manifold model and, at least in a transient operation and quasi-stationary operation, the model temperature for the current state is determined as a function of the temperature correction value by means of the intake manifold model.
  • the temperature correction value is, for example, determined in such a way that the difference between the model temperature and the temperature measured value is minimized.
  • the introduction of an additional, non-physically modeled model input "heat flow through the intake manifold wall" corrected by means of the temperature correction value such that the difference between Model temperature and temperature reading is minimized.
  • a pressure reading of the gas is provided which is representative is for a pressure of the gas at the current time.
  • a pressure correction value is determined depending on the model pressure for the current time and the provided pressure reading.
  • the pressure correction value is subordinate to the intake manifold increases and in at least the first and the second Be ⁇ operating state of the pressure model for the current state is determined depending on the pressure correction value by means of the intake manifold.
  • the pressure correction value is determined, for example, such that the difference between model pressure and pressure measurement value is minimized.
  • a model variable of the intake manifold which is representative correction value corrected for the effective cross-sectional area of the throttle valve in such a way ⁇ by means of the pressure that the difference between Mo ⁇ dell pressure and measured pressure value is minimized.
  • Incremental Model Correction Alternatively or additionally, the model temperature and / or the model pressure for the current time are adjusted depending on the provided temperature reading and / or pressure reading by the model temperature and / or the model pressure by a predetermined factor in the direction of the temperature reading and / or of
  • the model temperature and / or the model pressure for the current time are adjusted depending on the provided temperature reading and / or pressure reading, by the model temperature being dependent on the amount of the model temperature difference and the provided temperature reading in the direction of the temperature reading is corrected and / or by the model pressure is corrected depending on the amount of the difference of the model pressure and the provided pressure reading in the direction of the pressure reading.
  • T im mdlcor2 ((72)).
  • the influence of rapid changes in the temperature of the gas in the intake tract 1 to the cylinder air mass can be described in more detail in production engine control units than is possible on the basis of a measurement with a temperature sensor available for series engines.
  • the control device 25 is configured to perform the above ⁇ be prescribed procedure, thus relieving particular air mass the ZY located after closing the Gas Compventi in the respective cylinder to determine.
  • it is in particular designed to carry out the procedure described under the point Summary, taking into account the other explanatory procedure above.
  • it has in particular a program and data memory and a corresponding computing unit, such as a microprocessor.

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfassend einen Ansaugtrakt (1) und einen oder mehrere Zylinder (Z1 bis Z4), denen jeweils Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) zugeordnet sind, wobei Gaswechselventile Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) umfassen, wird in einem ersten Betriebszustand zyklisch eine Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt (1) für einenaktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist. Die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt wird ermittelt abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur wird eine Zylinderluftmasse ermittelt, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern, denen jeweils Gaseinlassventile zugeordnet sind.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum einen erfolgen, indem die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine entstehen. Zum anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln . Zu diesem Zweck werden Abgaskatalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe um¬ wandeln . Sowohl das gezielte Beeinflussen des Erzeugens der Schad¬ stoffemissionen während der Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder als auch das Umwandeln der Schadstoffkomponenten mit einem hohen Wirkungsgrad durch den Abgaskatalysator setzen ein sehr präzise eingestelltes Luft-/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder voraus.
Ein Saugrohrmodell ist beispielsweise in dem Fachbuch "Handbuch Verbrennungsmotor, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven", Herausgeber Richard van Basshuysen/Fred Schäfer, 2. verbesserte Auflage, Juni 2002, Friedrich Vieweg & Sohn Ver¬ lagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, Seiten 557 bis 559, beschrieben. Ferner sind derartige Saugrohrmodelle auch in EP 0820559 Bl und EP 0886725 Bl beschrieben.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das beziehungsweise die einen Beitrag leistet für einen zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus einerseits durch ein Verfahren und andererseits durch eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt und einem oder mehreren Zylindern, denen jeweils Gaseinlassventile und Gasauslassventile zugeordnet sind, wobei Gaswechselventile Gaseinlassventile und Gasauslassventile umfassen.
In einem ersten Betriebszustand wird zyklisch eine Modell¬ temperatur eines Gases im Ansaugtrakt für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist. Die Modelltemperatur wird für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur wird eine Zylinderluftmasse ermittelt, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet. Der erste Betriebszustand ist insbesondere ein instationärer Betriebszustand. Der vorangegangene Zeitpunkt ist insbesondere dem letzten Zyklus zugeordnet. Ein Temperatursensor im Ansaugtrakt hat häufig eine relativ große Verzögerung. Indem die Zylinderluftmasse frei von einem Temperaturmesswert ermittelt wird, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist, kann sehr schnell eine Zylinderluftmasse er¬ mittelt werden und dadurch ein Beitrag zu einem zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine geleistet werden, da die Zylinderluftmasse als Grundlage für die Kraftstoffzu- messung genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem zweiten Betriebszustand ein Temperaturmesswert des Gases be¬ reitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert wird ein Temperaturkorrekturwert ermittelt. Der Temperaturkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt. Der zweite Betriebszustand ist insbesondere ein quasistationärer Betriebszustand. Der quasistationäre Betriebszustand zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass alle Eingangssignale des Saugrohrmodells eine vorgegebene Zeit, wie beispielsweise mehrere Sekunden, im Wesentlichen konstant sind. Da sich die Temperatur des Gases in dem zweiten Betriebszustand im We¬ sentlichen nicht verändert, ist der Temperaturmesswert des Gases, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt, beispielsweise der Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist oder ein Temperaturmesswert des Gases, der dem vorangegangenen Zeitpunkt zugeordnet ist.
Der Temperaturkorrekturwert wird beispielsweise derart er- mittelt, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und
Temperaturmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird mittels des Temperaturkorrekturwerts die Modellgröße „Temperatur des Drosselklappenmassenstroms" des Saugrohrmodells korrigiert. Möglich ist alternativ oder zusätzlich auch die Einführung eines zusätzlichen, nicht physikalisch modellierten Modelleingangs „Wärmestrom durch die Saugrohrwand", der derart mittels des Temperaturkorrekturwerts korrigiert wird, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird. Auf diese Weise kann die Ermittlung der Zylinderluftmasse besonders genau erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem zweiten Betriebszustand der Temperaturmesswert des Gases be¬ reitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und die Modelltemperatur wird für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst.
In dem zweiten Betriebszustand spielt die relativ große Ver- zögerung des Temperatursensors gegebenenfalls keine Rolle, da sich die Werte des Sensors im Wesentlichen nicht ändern. Somit kann in dem zweiten Betriebszustand die Modelltemperatur einfach an den Temperaturmesswert angepasst werden. Diese Anpassung kann wiederum bei einem Wechsel in den ersten Betriebszustand genutzt werden, da im ersten Betriebszustand die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einer Mo¬ delltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Hierdurch kann somit die Zylinderluftmasse in beiden Betriebszuständen besonders genau und trotzdem sehr schnell ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst, indem die Mo¬ delltemperatur um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird. Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse be¬ sonders robust und sehr einfach erfolgen, da beispielsweise sehr wenige Berechnungsschritte für die Korrektur notwendig sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst, indem die Mo¬ delltemperatur abhängig von dem Betrag der Differenz der Modelltemperatur und dem bereitgestellten Temperaturmesswert in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse be¬ sonders robust und sehr genau erfolgen, da auf einfach Weise die Differenz für die Korrektur genutzt wird. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zyklisch ein Modelldruck eines Gases im Ansaugtrakt für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von dem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Druckmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist. Der Modelldruck wird für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt abhängig von einem Modelldruck, der für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Abhängig von dem für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelldruck wird die Zy- linderluftmasse ermittelt. ,
b
Auch ein Drucksensor im Ansaugtrakt kann gegebenenfalls
Messfehler aufweisen. Indem die Zylinderluftmasse frei von einem dem Druckmesswert ermittelt wird, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist, kann sehr schnell eine Zylinderluftmasse er- mittelt werden und dadurch ein Beitrag zu einem zuverlässigen und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine geleistet werden, da die Zylinderluftmasse als Grundlage für die Kraftstoffzu- messung genutzt werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem zweiten Betriebszustand ein Druckmesswert des Gases bereit¬ gestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Ein Druckkorrekturwert wird ermittelt abhängig von dem Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Druckmesswert. Der Druckkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand wird der Modelldruck für den aktuellen Zustand abhängig von dem Druckkorrekturwert mittels des
Saugrohrmodells ermittelt.
Der Druckkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird eine Modellgröße des Saugrohrmodells, die repräsentativ ist für die wirksame
Querschnittsfläche der Drosselklappe derart mittels des
Druckkorrekturwerts korrigiert, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Auf diese Weise kann die Ermittlung der Zylinderluftmasse besonders genau erfolgen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in dem zweiten Betriebszustand ein Druckmesswert des Gases bereit¬ gestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und der Modelldruck wird für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst .
Da sich der die Druck des Gases in dem zweiten Betriebszustand im Wesentlichen nicht verändert , ist der Druckmesswert des Gases, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt, beispielsweise der Druckmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist oder ein Druckmesswert des Gases, der dem vorangegangenen Zeitpunkt zugeordnet ist.
In dem zweiten Betriebszustand ändern sich die Werte des Drucksensors im Wesentlichen nicht. Somit kann in dem zweiten Betriebszustand der Modelldruck einfach an den Druckmesswert angepasst werden. Diese Anpassung kann wiederum bei einem Wechsel in den ersten Betriebszustand genutzt werden, da im ersten Betriebszustand der Modelldruck ermittelt wird abhängig von einem Modelldruck, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde. Hierdurch kann somit die Zylinderluftmasse in beiden Betriebszuständen besonders genau und trotzdem sehr schnell ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst, indem der Modelldruck um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird.
Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse be¬ sonders robust und sehr einfach erfolgen, da beispielsweise sehr wenige Berechnungsschritte für die Korrektur notwendig sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst, indem der Modelldruck abhängig von dem Betrag der Differenz des Modelldrucks und dem bereitgestellten Druckmesswert in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird. Auf diese Weise kann die Korrektur der Zylinderluftmasse be¬ sonders robust und sehr genau erfolgen, da auf einfach Weise die Differenz für die Korrektur genutzt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten
Steuervorrichtung, Figur 2 einen Ausschnitt eines Ansaugtrakts der Brenn¬ kraftmaschine und
Figur 3 eine auf eine Funktion x(t) angewandte Trapezin¬ tegrationsformel
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4.
Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drosselklappe 5, einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder ZI über einen Einlasskanal in einen Brennraum 9 des Motorblocks 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit einem Kolben 11 des Zylinders ZI gekoppelt ist. Die Brennkraftmaschine umfasst neben dem Zylinder ZI vorzugsweise weitere Zylinder Z2, Z3, Z4. Die Brennkraftmaschine kann aber auch jede beliebige andere Anzahl an Zylindern um- fassen. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt in einem Kraft¬ fahrzeug angeordnet.
In dem Zylinderkopf 3 sind bevorzugt ein Einspritzventil 18 und eine Zündkerze 19 angeordnet. Alternativ kann das Einspritz¬ ventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein.
In dem Abgastrakt 4 ist vorzugsweise ein Abgaskatalysator 21 angeordnet, der bevorzugt als Dreiwegekatalysator ausgebildet ist.
Ferner kann auch eine Phasen-Verstelleinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise mit der Kurbelwelle 8 und einer Einlassnockenwelle gekoppelt ist. Die Einlassnockenwelle ist mit einem Gaseinlassventil 12 des jeweiligen Zylinders gekoppelt. Die Phasen-Verstelleinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Verstellen einer Phase der Einlassnockenwelle zu der Kurbelwelle 8 zu ermöglichen. Ferner kann grundsätzlich die Phasen-Verstelleinrichtung alternativ oder zusätzlich auch dazu ausgebildet sein, eine Phase einer Auslassnockenwelle zu der Kurbelwelle 8 zu verstellen, wobei die Auslassnockenwelle mit einem Gas¬ auslassventil 13 gekoppelt ist.
Ferner kann auch eine Schaltklappe oder ein sonstiger Schalt- mechanismus zum Verändern einer effektiven Saugrohrlänge in dem Ansaugtrakt 1 vorgesehen sein. Darüber hinaus können auch beispielsweise eine oder mehrere Drallklappen vorgesehen sein.
Ferner kann auch ein Lader vorgesehen sein, der beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildet sein kann und so eine Turbine und einen Kompressor umfasst.
Eine Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine umfassen die Messgrößen und aus den Messgrößen abgeleitete Größen. Die Steuervorrichtung 25 ist dazu ausge¬ bildet, abhängig von mindestens einer Messgröße Stellgrößen zu ermitteln, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet werden. Die Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmas¬ sensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein Drosselklappenstellungssensor 30, der einen Öffnungsgrad der Drosselklappe 5 erfasst, ein Um¬ gebungsdrucksensor 32, der einen Umgebungsdruck einer Umgebung der Brennkraftmaschine erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, der einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwel- lenwinkelsensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine zugeordnet wird. Ferner ist eine Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des Abgaskatalysators 21 angeordnet ist und beispielsweise einen Restsauerstoffgehalt des Abgases der Brennkraftmaschine erfasst und deren Messsignal repräsentativ ist für ein Luft-/Kraftstoff- Verhältnis stromaufwärts der Abgassonde 42 vor der Verbrennung. Zum Erfassen der Position der Einlassnockenwelle und/oder der Auslassnockenwelle können ein Einlassnockenwellen-Sensor beziehungsweise ein Auslassnockenwellen-Sensor vorgesehen sein. Darüber hinaus ist bevorzugt ein Temperatursensor vorgesehen, der eine Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine erfasst, und/oder ein weiterer Temperatursensor vorgesehen, dessen Messsignal repräsentativ ist für eine Ansauglufttemperatur in dem Ansaugtrakt 1, die auch als Saugrohrtemperatur bezeichnet werden kann. Ferner kann auch ein Abgasdrucksensor vorgesehen sein, dessen Messsignal repräsentativ ist für einen Abgaskrümmerdruck, also einem Druck in dem Abgastrakt 4. Je nach Ausführungsform kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein. Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Einspritzventil 18 oder die Phasen-Verstelleinrichtung oder die Zündkerze 19 oder ein Abgasrückführventil . Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis , d.h. das Verhältnis der an der Verbrennung im Zylinder teilnehmenden Luftmasse majr Cyi , die auch als Zylinderluftmasse bezeichnet werden kann, zur an der Verbrennung im Zylinder teilnehmenden Kraftstoffmasse mfuel ist ein wichtiger Einflussfaktor für die Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine. Die Zylinderluftmasse mair Cyi wird in der Steuereinrichtung (Motorsteuergerät) aufgrund vieler verfüg¬ barer Größen geschätzt und dient als Grundlage für die Kraft¬ stoffzumessung . Zur Einhaltung aktueller und zukünftiger Schadstoffemissionsgrenzwerte muss die Zylinderluftmasse im Motorsteuergerät unter allen stationären und transienten Motorbetriebsbedingungen auf wenige Prozent genau bekannt sein.
Druck und Temperatur des sich im Ansaugtrakt 1 befindenden Gases (Saugrohrdruck pim und Saugrohrtemperatur Tim ) sind wesentliche Einflussfaktoren auf die vom Motor angesaugte Zylinderluftmasse mair, cyl und müssen für eine korrekte Schätzung der Zylinder- luftmasse im Motorsteuergerät möglichst genau bekannt sein.
Der Saugrohrdruck pim kann auch als Modelldruck eines Gases im Ansaugtrakt 1 bezeichnet werden. Die Saugrohrtemperatur 7imkann auch als Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt 1 bezeichnet werden . Moderne Brennkraftmaschinen sind praktisch immer mit dem weiteren Temperatursensor zur Messung der Gastemperatur im Ansaugtrakt 1 ausgerüstet, der auch als Saugrohrtemperatursensor bezeichnet werden kann. Typische Saugrohrtemperatursensoren für die Serienanwendung zeigen ein starkes PTl-Verhalten mit
Zeitkonstanten in der Größenordnung von 5 s. Zusätzlich sind moderne Brennkraftmaschinen praktisch immer mit dem Saug- rohrdrucksensor 34 und/oder dem Luftmassensensor 28 mit jeweils vernachlässigbarer Zeitkonstante (wenige Millisekunden) aus- gerüstet. Dabei kann entweder den gemessenen Saugrohrdruck pim mes direkt als Modelleingang zur Bestimmung der Zylinderluftmasse verwendet werden oder ein mittels eines (allgemein als Saugrohrmodell bezeichneten) Zustandsbeobachters modelliert werden und auf den gemessenen Saugrohrdruck pim mes oder ge- messenen Luftmassenstrom liiair mes 3-bgeglichenen Saugrohrdruck Pim mdl a-*-s Modelleingang zur Bestimmung der Zylinderluftmasse verwendet werden. Weiterhin kann die Saugrohrtemperatur als Modelleingang zur Bestimmung der Zylinderluftmasse verwendet werden. Dabei nutzt man entweder die gemessene Saugrohrtem- peratur im mes direkt oder einen korrigierte Saugrohrtemperatur Tim, md fur den der Messwert um Korrekturen zur Beschreibung stationärer Aufwärmeffekte zwischen Temperatursensor und Einlassventil erweitertet wird. Dies hat zur Folge, dass zwar alle gemessenen/beobachteten Änderungen des Saugrohrdrucks schnell - d.h. mit einer Ver¬ zögerung weniger Millisekunden - in die Modellierung der Zy- linderluftmasse eingehen, Änderungen der Saugrohrtemperatur aber nur langsam mit der durch den Sensor vorgegebenen Dynamik mit einer Zeitkonstante von mehreren Sekunden.
Folgend wird erläutert, wie dazu beigetragen werden kann, die aus wechselnden Aktuatorpositionen der Brennkraftmaschine resul- tierenden Änderungen des Saugrohrdrucks pim und der Saugrohrtemperatur Tim genau und schnell zu modellieren, d.h. ohne die aus der großen Zeitkonstanten des Temperatursensors resul¬ tierende Verzögerung. Insbesondere ist eine derart modellierte Saugrohrtemperatur schneller verfügbar, als ein mit für Se- rienbrennkraftmaschinen verfügbaren Temperatursensoren er- fasster Messwert. Dadurch wird die Modellierung der Zylinderluftmasse mair Cyi verbessert und damit ein Beitrag zur Verminderung der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen geleistet.
Systemgrenzen und Voraussetzungen
Das betrachtete System umfasst den Ansaugtrakt 1 einer
Brennkraftmaschine mit dem darin befindlichen Gas. Es ist abgegrenzt durch die Saugrohrwand, die Gaseinlassventile 13 der Zylinder ZI bis Z4 der Brennkraftmaschine, die Drosselklappe 5 und die Einlasse eventueller weiterer Gasmassenströme wie z.B. für Tankentlüftung, Kurbelgehäuseentlüftung oder
Kraftstoffeinblasung . Die Modellierung folgt einer
OD-Betrachtung, Orte im Ansaugtrakt 1 werden nicht unterschieden .
Im Ansaugtrakt 1 mit dem konstanten Volumen Vim befindet sich eine Gasmasse mim mit dem aktuellen Saugrohrdruck pim und der aktuellen Saugrohrtemperatur Tim (Fig. 2) . Es gilt die allgemeine Gasgleichung
Figure imgf000015_0001
Berücksichtigte Massenflüsse Es gibt im allgemeinen Fall mehrere vom Saugrohrdruck beein- flusste Massenzuflüsse ιιη \, in,2t— ^in,q aus Quellen mit be¬ kannten Gaszuständen (d.h. Quelldrücken ρ01' Po 2'- Po q unc^ Quelltemperaturen TQI, Q2I- t0, q) · Diese q Massenzuflüsse fließen über q Drosselstellen mit den wirksamen Quer- schnittsflächen Ain> \ , Ain 2,~- ^in,q iR den Ansaugtrakt 1:
Figure imgf000016_0001
mit: min - Massenstrom, T0i - Temperatur vor Drosselstelle, p Druck vor Drosselstelle des über die i-te Drosselstelle zu¬ fließenden Gases,
Figure imgf000016_0002
Temperaturfaktor mit κ - Isentropenexponent, R = c - spe¬ zifischer Gaskonstante, p~ spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck, ^v _ spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen des zufließenden Gases,
Π
Figure imgf000016_0003
Druckverhältnis an der i-ten Drosselstelle, fürn; < 0,53, d.h.überkritischesDruckverhätnis fürn; > 0,53, d.h.unterkritBchesDmckverhätms
Figure imgf000016_0004
( ( 5 )
Durchflusskoeffizient an der i-ten Drosselstelle, kann für den Betriebspunkt Iii linearisiert werden zu ^·) = Ψ^ · )-Ψ^ · )^· ( (6) )
Als Vereinfachung werden für alle im Ansaugtrakt 1 fließenden Gase jeweils einheitlicher Werte für Isentropenexponent, Gaskonstante und Wärmekapazitäten angenommen.
Diese Massenzuflüsse gelten als vom Saugrohrdruck beeinflusst,
• weil das Druckverhältnis Iii über die jeweilige Dros¬ selstelle zumindest in manchen Betriebszuständen unterkritisch, d.h. n; >0,53 sein kann, · weil der Durchflusskoeffizient ψ(Π; ) dann nach Glei¬ chung ( (5) ) vom Saugrohrdruck pim abhängig ist und
• weil diese Massenströme als Funktion des Saugrohrdrucks - nicht nur als Wert - in das Saugrohrmodell eingehen sollen .
Beispiele für vom Saugrohrdruck beeinflusste Zuflüsse in den Ansaugtrakt 1 sind der Massenstrom einer externen Abgasrückführung, der Kurbelgehäuseentlüftungsmassenstrom, der Tank- entlüftungsmassenstrom sowie der in praktisch allen Be- triebszuständen dominierende Drosselklappenmassenstrom. Wesentlich ist, dass sich diese Zuflüsse nach dem Saugrohrdruck pim linearisieren, d.h. als lineare Funktionen des Saugrohrdrucks in der Form min> ι = Lin> ι *
Figure imgf000017_0001
darstellen lassen .
Es gibt im allgemeinen Fall mehrere vom Saugrohrdruck pim beeinflusste Massenabflüsse in s verschiedene Senken. Beispiele für Abflüsse aus dem Ansaugtrakt 1 sind Leckagemassenströme im aufgeladenen Betrieb sowie der in praktisch allen Betriebs- zuständen dominierende Einlassventilmassenstrom. Praktisch gibt es in der fehlerfrei arbeitenden Brennkraftmaschine nur einen Massenstrom aus dem Ansaugtrakt 1, das ist der Einlassven- tilmassenstrom in den jeweils ansaugenden Zylinder. Dieser wird im Folgenden als Abflussmassenstrom mout bezeichnet. Er wird im jeweiligen Motorbetriebspunkt nach dem Saugrohrdruck pim
linearisiert , d.h. als lineare Funktion des Saugrohrdrucks p mit den Parametern Ή slope offset ( Steigung und Offset der volu- metrischen Effizienz) angenähert:
mout = ΉεΙορε ' Pim ~ Tioffset ( ( 7 ) ) . Das negative Vorzeichen des Offsets ist nicht zwingend.
Es gibt im allgemeinen Fall weitere, vom Saugrohrdruck pim nicht beeinflusste Massenzuflüsse min, q + l r min, q + 2 r— min, q + r aus r Quellen mit bekannten Gaszuständen (d.h. Quelldrücken Poq + l' Ρθ,<7 + 2'- Po, q + r und Quelltemperaturen Γ0)(?+ι, T0> q + 2 , ... TQ, q + r ) -
Für sie gelten die Gleichungen ((2)) bis ((6)) entsprechend. Diese Massenzuflüsse gelten als nicht vom Saugrohrdruck p beeinflusst ,
weil entweder das Druckverhältnis über die jeweilige Drosselstelle in allen Betriebszuständen überkritisch ist, d.h. Π; < 0,53 , der Durchflusskoeffizient Ψ dann nach Gleichung ((5)) konstant ist und der jeweilige Wert des Zuflussmassenstroms unabhängig vom Saugrohrdruck pim berechnet werden kann (z.B. am Gaseinblaseventil für CNG) oder - weil trotz eines möglicherweise unterkritischer Druck¬ verhältnisses Π; > 0,53 an einer Drosselstelle als Mo¬ dellvereinfachung der zugehörige Massenstrom auf Basis eines alten Werts des Saugrohrdrucks V m ri - \ außerhalb des Saugrohrmodells berechnet wird und dann nur als Wert (nicht als Funktion des Saugrohrdrucks) in das Saugrohrmodell eingeht . Im Ansaugtrakt 1 gilt das Gesetz der Massenerhaltung (Massenbilanz) allgemein für s Abflüsse und speziell für einen Abfluss. Im Folgenden wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur ein Abfluss betrachtet q + r q + r
m i .m = Σ m - Σ m out ,j = Σ out ( ( 8 ) )
7 =1
Modellbildung
Die Enthalpie Him des Gases im Ansaugtrakt 1 mit konstantem
Volumen V im ist gleich der Summe von Verdrängungsarbeit
V i.m · nim , Wärmeenergie W therm, potentieller Energie W pot und kinetischer Energie w kin des Gases im Ansaugtrakt 1:
Him = Wtherm + Wpot + Wkin +pim - Vim ( ( 9 )
Die potentielle Energie des Gases im Ansaugtrakt 1 W pot kann vernachlässigt werden, da zwischen Ansaugtrakteintritt und -austritt kein signifikanter Höhenunterschied besteht und die potentielle Energie von Gasen aufgrund ihrer relativ kleinen Dichte generell vernachlässigbar ist. Die kinetische Energie des
Gases im Saugrohr w kin ist im für den Betrieb von Brenn¬ kraftmaschinen relevanten Druck- und Temperaturbereich um mindestens den Faktor 100 kleiner als die jeweilige Verdrän- gungsarbeit und Wärmeenergie des Gases und kann deshalb auch vernachlässigt werden. Als Enthalpie des Gases im Ansaugtrakt 1 ergibt sich damit
Figure imgf000020_0001
cv T im · m im + Iü ι. ( (10) ) ,
mit: Temperatur, 171i;m Masse des Gases im Ansaugtrakt 1
Für den Ansaugtrakt 1 als offenes System mit q + r Zuflüssen und einem Abfluss gilt unter Vernachlässigung von Wärmeübergängen durch die Saugrohrwand (auf die weiter unten nochmals eingegangen werden wird) die Enthalpiebilanz
Figure imgf000020_0002
( (11) ) , mit: "h'inj - spezifische Enthalpie, V in j - Fließgeschwindigkeit,
^ίη,ί - Höhe des i-ten Massenzuflusses, ^out ~ spezifische Ent-
V Z
halpie, v out ~ Fließgeschwindigkeit, out - Höhe des Massen¬ abflusses, §- Erdbeschleunigung.
Durch die oben beschriebene Vernachlässigung von kinetischer und potentieller Energie des Gases im Ansaugtrakt 1 werden
Fließgeschwindigkeiten und Höhen vernachlässigt und Gleichung ((11)) vereinfacht sich zu d_ q + r
Him = H{min hini)-mout -h out ((12))
dt i=\
Die abfließenden Massen haben Saugrohrtemperatur T[m, damit ist die spezifische Enthalpie des Abflussmassenstroms foout Cp ( (13)
Die zufließenden Massen haben jeweils die Temperatur ihrer Quelle
TQ I, damit ist die spezifische Enthalpie des i-ten
Zuflussmassenstroms
0,i ( (14)
Duch Einsetzen der Gleichungen ((10)), ((13)), ((14)) in
Gleichung ((12)) ergibt sich q +
™im ' ^im + Cv ' mim ' ^ im + P im ' ^ im + P im ' ^ im C p ' Σ (^;„,; ' ^ö,z )" m.
i=l
( (15) ) .
Wegen des konstanten Saugrohrvolumens ist Pjm ' Vim—0. Unter
Berücksichtigung der funktionalen Abhängigkeiten aus ((1)),
((2)), ((4)) und ((8)) ergibt sich aus ((15)) durch Umstellen
rp im - V im =c p · T i.m )
Figure imgf000021_0001
( (16) ) eine erste implizite Differentialgleichung erster Ordnung der
Variablen Saugrohrdruck nim und Saugrohrtemperatur Tim.
Die Ableitung der allgemeinen Gasgleichung für das Gas im
Ansaugtrakt 1 ((1)) nach der Zeit liefert
Pim · n + Pim ' ,, =™in, ' R ' Tin, +™Ιη, ' R ' Tin, ((1 ) Wegen des konstanten Saugrohrvolumens ist Pim ' Vim— 0. Unter
Berücksichtigung der funktionalen Abhängigkeiten aus ((1)),
((2)), ((4)) und ((8)) ergibt sich aus ((17))
•J ¥ bim - Vim—mι {Pim ) - R - Tim +™im
Figure imgf000022_0001
R - iιm ( (18) ) eine zweite implizite Differentialgleichung erster Ordnung der Variablen Saugrohrdruck Pim und Saugrohrtemperatur
Diskretisierung des Modells
Die beiden Differentialgleichungen erster Ordnung der Variablen Saugrohrdruck Pim und Saugrohrtemperatur Tim ((16)) und ((18)) werden so umgeformt, dass einmal der Saugrohrdruckgradient Pim und einmal der Saugrohrtemperaturgradient T
im eliminiert werden .
Die Differenz der Gleichungen ((18)) - ((16)) eliminiert den Saugrohrdruckgradient Pim · Nach Einsetzen der Massenbilanz
((8)) liefert das Umstellen nach T
im
Figure imgf000022_0002
im {.Pim ' ^i iim ) i=\
Auf die Saugrohrtemperatur ^im wird die allgemeingültige
Trapez-Integrationsformel (siehe Figur 3) zur zeitlichen Diskretisierung des Modells X = - t..l ) ( (20)
Figure imgf000023_0001
mit der Abtastzeit (sampling time)
Figure imgf000023_0002
angewandt:
Tim = Tim ,n = Tim ,n—\ · (
Figure imgf000023_0003
VTim ,n—\ + Tim ) ( (21) ) .
Alte Saugrohrtemperatur im,n-\ und alter Saugrohrtemperatur- gradient ^im,n- sind zum Zeitpunkt n aus dem vorhergehenden
Berechnungsschritt n-1 bekannte Werte. Durch Einsetzen von Gleichung ((19)) in ((21)) wird auch der Saugrohrtemperatur- gradient TIM eliminiert:
Figure imgf000023_0004
( (22) ) .
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst : t
^ 0,1 1 im ,n-\ ^ 2 im ,n-\ ((23)).
Ein Ersetzen der aktuellen Gasmasse im Ansaugtrakt 1 in Gleichung ((22)) nach Gleichung ((1)) I p i. - V
m m i.n
i.m = ( (24;
' im
würde die m T
im lineare Gleichung ((22)) mit einem quadratischen
Term J-jm verkomplizieren. Da die Gasmasse im Ansaugtrakt 1 nicht springen kann und sich in einem Rechenschritt nur relativ wenig verändert, kann ohne großen Genauigkeitsverlust zur Vereinfachung von Gleichung ((22)) die aktuelle, unbekannte
Gasmasse durch die alte, im vorhergehenden Rechenschritt
Figure imgf000024_0001
bestimmte Gasmasse im,n-\ ersetzt werden: t · R · T q+r
Tim = G0jl +——
Figure imgf000024_0002
Σ { ίη,ί {Pim)' (Τθ Tim )) ((25)).
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst
Figure imgf000024_0003
Die q vom Saugrohrdruck beeinflussten und die r vom Saugrohrdruck unbeeinflussten Zuflüsse werden separat geschrieben q r
Tim = G0,l + ^ · Σ inj (Pim ) " {T0,i ~ Tim )) + E ' Σ i™ * ' {T ,k ~ Tim ))
q r r
= G0,i + E■ Σ {min,i (pim)· (0ji - Tim )) + E■ Σ {min,k -T,k)-E- T im ■ (" ) ( (27) ) . Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst
Figure imgf000025_0001
Das Ersetzen der vom Saugrohrdruck beeinflussten Zuflüsse nach Gleichung ((2)) in ((27)) ergibt
Figure imgf000025_0002
( (30)
Das Ersetzen des Durchflusskoeffizienten an der i-ten Dros seistelle nach Gleichung ((4)) und ((6)) in ((30)) ergibt
+Ε-
Figure imgf000025_0003
( (31) ) ,
Tim = G0A + G0,2 + G Tim
Figure imgf000025_0004
-Ε-Σ · {T0J)· slqpe (Π(.)· (TQ. - Tim )) und = ^0,1 + G0,2 + Gl,l · Tim
+ E · Σ(AM ·/><>,, ·c(r0>i)· Ψφεί(n,)·r0,) ·/><>,, · (r0>i)·Ψΰ εί (Π,))
Figure imgf000026_0001
-ΡΊΗ-Ε-Σ ,l · θ, ) · (Π , ) · ^ )
Figure imgf000026_0002
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst
Figure imgf000026_0003
Gleichung ( (33) ) vereinfacht sich damit zu
Tim +
Figure imgf000026_0004
G1,2 o/ J-T7im +G20,11 rÖim + G,3,,1 ΓΒ» TZ»
( (38) ) und weiter zu 0 = + T,„ + /7ίΜ -Ti
G3,\ G3A G3A
( (39)
Analog zur Eliminierung des Saugrohrdruckgradienten in Gleichung ((19)) ff. wird in einer zweiten parallelen Transformation der
Saugrohrtemperaturgradient aus dem Gleichungssystem ((16)),
( (18) ) eliminiert. Eine Multiplikation von Gleichung ( (16) ) mit der spezifischen Gaskonstante R ergibt
im Vi,m_ =cp_ +mim(pim,Tim)-timj
Figure imgf000027_0001
( (40)
Eine Multiplikation von Gleichung ((18)) mit der spezifischen Wärmekapazität cv liefert
Cv · Pirn · n = Cv '™ilPim)' R ' Tim + Cv ' m im{Pim > Tim ) ' R '
( (41) ) .
Die Summe der Gleichungen ((40)) und ((41)) ergibt
( (42)
Figure imgf000027_0002
und unter Berücksichtigung der Definition der spezifischen
Gaskonstante R = cp -cV
Pi, Σ{min.(pim)· T0. )- mout(pim )· Tin
v ( (43)
i.m Uv-=i Auf den Saugrohrdruck Pim wird die allgemeingültige Tra¬ pez-Integrationsformel ((20)) mit der Abtastzeit (sampling time) s n n- -1 angewandt :
P im P im ,n P im ,n—\ ^ \P im ,n-\ P i ( (44)
Alter Saugrohrdruck Pim,n-\ und alter Saugrohrdruckgradient
Pim,n-\ sind zum Zeitpunkt n aus dem vorhergehenden Berech¬ nungsschritt n-1 bekannte Werte. Durch Einsetzen von Gleichung
((43)) in ((44)) wird auch der Saugrohrdruckgradient Pim eliminiert
P im P im,n-\ im,n-\ +■
2
Figure imgf000028_0001
( (45) ) .
Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst :
T7 ■
^0,1 - P im , n -l + ~ " P im , n -l ((46)) und
2
Figure imgf000028_0002
Die q vom Saugrohrdruck beeinflussten und die r vom Saugrohrdruck unbeeinflussten Zuflüsse werden separat geschrieben im = F,i + D · ^{mini (pim)-T0 i )+ D · Z{minlc · TQ^k )- D · mout (pim)-Tin i=\ k '-= 'l
( (48) ) .
Das Ersetzen des Abflussmassenstroms nach Gleichung ( (7) ) und der Zuflussmassenströme nach Gleichung ((2)) ergibt
pim-F0,+D- -T0k)-D■ mout(pim)-Tin
Figure imgf000029_0001
( (49) ) .
Das Ersetzen des Durchflusskoeffizienten an der i-ten Drosselstelle nach Gleichung ((4)) und ((6)) in ((49)) ergibt
Figure imgf000029_0002
+ D-i{miHtk -T0tk)
k=l
^ (?7 slope P im ^1 offset ) ^ im
((50)) und
Figure imgf000029_0003
+D · l(4„, ·Po,,■ „, )· Ψ^Π,. )· r0
=l
Figure imgf000029_0004
+ ^ ' ^ offset '
^ ^1 slope Pim T im Die Terme mit zu Beginn der Berechnungen für Zeitpunkt n bekannten Werten werden zur Vereinfachung der weiteren Herleitung zu- sammengefasst :
Figure imgf000030_0001
=Di(Ain Poi-c{T0 ^offse i)-T0 ((53))f
i=\
F\,\ = D' 7l offset ((54)), slope (Ui)-T ( (55)) und
Figure imgf000030_0002
Gleichung ((51)) vereinfacht sich damit zu
Figure imgf000030_0003
und weiter zu
Figure imgf000030_0004
Lösung des Gleichungssystems
Die Gleichungen ((39)) und ((58)) bilden ein Gleichungssystem der Variablen Saugrohrdruck Pimund Saugrohrtemperatur ^im der
Form P im · im + a · p im + b · Tim + C = 0 ( (59) ) und Pin, ■ Tim + d■ pim + e -Tim + f = 0 ( (60) ) ,
G
a 2,1 d =
G3,l 3,1 mit
^3,1 3,1
Figure imgf000031_0001
Als Differenz der Gleichungen ((59)) und ((60)) ergibt sich das linearisierte Saugrohrmodell im aktuellen Betriebspunkt
Figure imgf000031_0002
Für b = e würden laut Gleichung ((61)) beliebige Saugrohr- temperaturänderungen keine Änderung des Saugrohrdruck bewirken, was im Widerspruch zur allgemeinen Gasgleichung ((1)) steht.
Damit ist der Fall b = e physikalisch nicht relevant. Für b e lässt sich Gleichung ((61)) umstellen zu
lim =- Pim + ~ ( (62) ) .
b - e b - e
Durch Einsetzen von Gleichung ((62)) in entweder Gleichung ((59) oder ((60)) ergibt sich jeweils
(d-a)-pim 2 +(f-c-a-e+b-d)-pim+(b-f-c-e) = 0 ( (63) ) .
Für Cl = d würden laut Gleichung ((61)) beliebige Saugrohr- druckänderungen keine Änderung der Saugrohrtemperatur bewirken, was im Widerspruch zur allgemeinen Gasgleichung ((1)) steht. Damit ist auch der Fall ü— d physikalisch nicht relevant. Für lässt sich Gleichung ((63)) umstellen zu
Figure imgf000032_0001
( (64) ) .
Die Lösungsformel der quadratischen Gleichung
( (65)
Figure imgf000032_0002
liefert für die praktisch relevanten Fälle für den Zeitpunkt n immer zwei Lösungen. Als Näherung des Saugrohrdrucks für den Zeitpunkt n wird wegen der real vorhandenen Stetigkeit des Saugrohrdrucks jeweils die näher an der alten Lösung für den Zeitpunkt n-1 liegende Lösung verwendet.
Zusammenfassend werden Saugrohrdruck Pjm nd Saugrohrtemperatur für den Zeitpunkt n aus den Gleichungen ((60)), ((62)) und ((65)) modelliert als
f-c-a-e+b-d (f-c-a-e+b- df b-f-c-e
P im,mdl + ( (66)
2-(d-a) 4-(d-a) d-a
und
d-a f - c
im ,mdl P im + ( (67)
b - e b - e it
G 2,1
a
G + Gl,2 _ 1
b =
3,1
G0,l + G0,2 + G0,3
C =
'3,1
„
d 2, -1
= ,1
F 3,1
^3,1 '
+ F,2+F 0,3
/
3,1
D =
2- t. -R-Z im,mdl,n-\
E =
im r im,mdl,n-\
F0A = P im ,mdl ,n— \ im ,mdl ,n— \ ,
Figure imgf000033_0001
0>3 = D■ t{Ain.■ p0,■ C(r0, )· Ψο/,£ί (Π ,. )■ Γ0;ί ) , i'=l
Figure imgf000033_0002
F21 = -D■ i{Ait l ■ C(T^ )· Ψ,^Π,. )· Γ0;ί ) ,
' i=l
^3,1 =~^'ΊΊ sloper t
= T im ,mdl ,n -\ +—r% -T im ,mdl ,n -\ r
Figure imgf000034_0001
^=^·Σ q
(4 · 0, )· Ψ^(π; )) .
i=l
Abgleich des Saugrohrmodells auf den gemessenen Gaszustand
Im quasistationären Betrieb, d.h. nachdem alle Eingangssignale in das Saugrohrmodell für mehrere Sekunden im Wesentlichen konstant gewesen sind, ist es vorteilhaft, wenn das Saug¬ rohrmodell den mit dem Sensor messbaren Saugrohrdruck pim ^ =
Pim,mes und die messbare Saugrohrtemperatur Tiniimdi = Tiniimes ausgibt. Die durch die Gleichungen ((66)) und ((67)) gegebenen Form des Saugrohrmodells kann dies nicht sicherstellen, da sie nicht vom gemessenen Saugrohrdruck pim mes oder von der gemessenen Saugrohrtemperatur im mes abhängig sind. Insbesondere die zu Gleichung ((11)) angenommene Vernachlässigung von Wärmeübergängen durch die Saugrohrwand verfälscht das Saugrohrmodell stationär signifikant. Um Messwerte und Modellausgänge stationär trotzdem zusammenzuführen, sind drei Verfahren möglich:
1. Beobachterkorrektur: Beispielsweise ein oder mehrere Eingänge des Modells können automatisch so korrigiert werden, dass die Modellabweichungen Tim> mes - Tim> mdi und/oder pim> mes - pim> mdl minimiert werden.
Hierfür wird in dem quasistationären Betrieb ein Temperatur- messwert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Abhängig von der Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert wird ein Temperaturkorrekturwert ermittelt. Der Temperaturkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zugeordnet und zumindest in einem instationären Betrieb und dem quasistationären Betrieb wird die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt. Der Temperaturkorrekturwert wird beispielsweise derart er¬ mittelt, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird mittels des Temperaturkorrekturwerts die Modellgröße „Temperatur des Drosselklappenmassenstroms" des Saugrohrmodells korrigiert. Möglich ist alternativ oder zusätzlich auch die Einführung eines zusätzlichen, nicht physikalisch modellierten Modelleingangs „Wärmestrom durch die Saugrohrwand", der derart mittels des Temperaturkorrekturwerts korrigiert wird, dass die Differenz zwischen Modelltemperatur und Temperaturmesswert minimiert wird.
Alternativ oder zusätzlich wird in dem quasistationären Betrieb ein Druckmesswert des Gases bereitgestellt, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt. Ein Druckkorrekturwert wird ermittelt abhängig von dem Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Druckmesswert. Der Druckkorrekturwert wird dem Saugrohrmodell zu- geordnet und zumindest in dem ersten und dem zweiten Be¬ triebszustand wird der Modelldruck für den aktuellen Zustand abhängig von dem Druckkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt . Der Druckkorrekturwert wird beispielsweise derart ermittelt, dass die Differenz zwischen Modelldruck und Druckmesswert minimiert wird. Beispielsweise wird eine Modellgröße des Saugrohrmodells, die repräsentativ ist für die wirksame Quer¬ schnittsfläche der Drosselklappe derart mittels des Druck- korrekturwerts korrigiert, dass die Differenz zwischen Mo¬ delldruck und Druckmesswert minimiert wird.
2. Inkrementelle Modellkorrektur: Alternativ oder zusätzlich werden die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert und/oder Druckmesswert angepasst, indem die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts und/oder des
Druckmesswerts korrigiert werden. Hierzu werden insbesondere die Modellausgänge T^ r dl und V m m i aus Gleichungen ((66)), ((67) in jedem Abtastschritt um vorgegebene, zu kalibrierende In- kremente im> inc und pim inc in Richtung Messwerte verschoben:
Pim,mdl,cor\ ~ Pim,mdl
Figure imgf000036_0001
((68)) und
T = T
,mmddlL,ccooAA iimm,,mmddll + ' s ^o&grΛ^_,7 — T ) ·
iimm, iimm,mmeess iimm,mnddllj) inc ( (69) ) . Die Parameter des Saugrohrmodells ((66)), ((67)) müssen ent¬ sprechend korrigiert werden:
Figure imgf000037_0001
t im ,m ,cor ,n- b " im ,,mdl ,cor \,n-\ und
Figure imgf000037_0002
Q — T _i ts_ . T
0 ,1 im ,mdl ,cor \ ,n -\ ^ im ,mdl ,cor \ ,n -\
3. Anteilige Modellkorrektur: Alternativ oder zusätzlich werden die Modelltemperatur und/oder der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert und/oder Druckmesswert angepasst, indem die Modelltemperatur abhängig von dem Betrag der Differenz der Modelltemperatur und dem bereitgestellten Temperaturmesswert in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird und/oder indem der Modelldruck abhängig von dem Betrag der Differenz des Modelldrucks und dem bereitgestellten Druckmesswert in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird. Es werden also insbesondere die Modellausgänge Tim,mdl und Vm m i aus Gleichungen ((66)), ((67) in jedem Ab¬ tastschritt um zu kalibrierende Anteile der Modellfehler FTi;m, inc und Fpim inc in Richtung Messwerte verschoben:
Pim,mdl,cor2 Pim,mdl \Pim,mes Pim,mdl) . ((71)) und
T im,mdlcor2
Figure imgf000037_0003
((72)). Die Parameter des Saugrohrmodells ((66)), ((67)) müssen ent¬ sprechend korrigiert werden: † . J? . T
s im ,mdl ,cor 2,n-\
~ 2 - V · Ό ((73)),
im -Γ im ,mdl ,cor 2 ,n-\ f s ■
Γ 0 ,1 —
-FΌ im ,mdl ,cor 2 ,n -l Λ ^— · Ό im ,mdl ,cor 2 ,n—\ und t
ΓΙ — T _i . T
0,1 im ,mdl ,cor 2 ,n -\ ^ im ,mdl ,cor 2 ,n -\
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich in Serienmotor- Steuergeräten der Einfluss schneller Änderungen der Temperatur des Gases im Ansaugtrakt 1 auf die Zylinderluftmasse genauer beschreiben als dies aufgrund einer Messung mit einem für Serienmotoren verfügbaren Temperatursensoren möglich ist. Durch die genauere Kraftstoffzumessung infolge der genaueren Bestimmung der Zylinderluftmasse können Schadstoffemissionen des Brennkraftmaschine vermindert werden.
Die Steuervorrichtung 25 ist dazu ausgebildet, das oben be¬ schriebene Vorgehen auszuführen und so insbesondere die Zy- linderluftmasse, die sich nach Schließen der Gaswechselventi in dem jeweiligen Zylinder befindet, zu ermitteln. In diesem Zusammenhang ist sie insbesondere dazu ausgebildet, das unter dem Punkt Zusammenfassung beschriebene Vorgehen unter Berücksichtigung des sonstigen obigen erläuternden Vorgehens durchzuführen. Zu diesem Zweck weist sie insbesondere einen Programm- und Datenspeicher auf und eine entsprechende Re- cheneinheit, wie einen Mikroprozessor.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfassend einen Ansaugtrakt (1) und einen oder mehrere Zylinder (ZI bis Z4), denen jeweils Gaseinlassventile (12) und Gas¬ auslassventile (13) zugeordnet sind, wobei Gaswechsel¬ ventile Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) umfassen, bei dem in einem ersten Betriebszustand
- zyklisch eine Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt (1) für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist,
- wobei die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde,
- abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur eine Zylinderluftmasse ermittelt wird, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem zweiten Betriebszustand
- ein Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt wird, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt,
- ein Temperaturkorrekturwert abhängig von der Modell¬ temperatur für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Temperaturmesswert ermittelt wird,
- der Temperaturkorrekturwert dem Saugrohrmodell zuge¬ ordnet wird und
- zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand die Modelltemperatur für den aktuellen Zustand abhängig von dem Temperaturkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem zweiten Betriebs zustand
- der Temperaturmesswert des Gases bereitgestellt wird, der repräsentativ ist für eine Temperatur des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und
- die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst wird .
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst wird, indem die Modelltemperatur um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Temperaturmesswert angepasst wird, indem die Modelltemperatur abhängig von dem Betrag der Differenz der Modelltemperatur und dem bereitgestellten Temperaturmesswert in Richtung des Temperaturmesswerts korrigiert wird .
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, bei dem
zyklisch ein Modelldruck eines Gases im Ansaugtrakt (1) für einen aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von dem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Druckmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist, - wobei der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einem Modelldruck, der für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde,
- abhängig von dem für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelldruck die Zylinderluftmasse ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in dem zweiten Betriebszustand
- ein Druckmesswert des Gases bereitgestellt wird, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt,
- ein Druckkorrekturwert ermittelt wird abhängig von dem Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt und dem bereitgestellten Druckmesswert,
- der Druckkorrekturwert dem Saugrohrmodell zugeordnet wird und
- zumindest in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand der Modelldruck für den aktuellen Zustand abhängig von dem Druckkorrekturwert mittels des Saugrohrmodells ermittelt wird .
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem in dem zweiten Betriebs zustand
- der Druckmesswert des Gases bereitgestellt wird, der repräsentativ ist für einen Druck des Gases zu dem aktuellen Zeitpunkt und
- der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst wird, indem der Modelldruck um einen vorgegebenen Faktor in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Modelldruck für den aktuellen Zeitpunkt abhängig von dem bereitgestellten Druckmesswert angepasst wird, indem der Mo¬ delldruck abhängig von dem Betrag der Differenz des Modelldrucks und dem bereitgestellten Druckmesswert in Richtung des Druckmesswerts korrigiert wird.
11. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfassend einen Ansaugtrakt (1) und einen oder mehrere Zylinder (ZI bis Z4), denen jeweils Gaseinlassventile (12) und Gasauslassventile (13) zugeordnet sind, wobei Gas¬ wechselventile Gaseinlassventile (12) und Gasauslass¬ ventile (13) umfassen, wobei die Vorrichtung dazu aus¬ gebildet ist in einem ersten Betriebszustand
- zyklisch eine Modelltemperatur eines Gases im Ansaugtrakt (1) für einen aktuellen Zeitpunkt zu ermitteln abhängig von einem vorgegebenen Saugrohrmodell und frei von einem Temperaturmesswert des Gases, der dem aktuellem Zeitpunkt zugeordnet ist,
- wobei die Modelltemperatur für den aktuellen Zeitpunkt ermittelt wird abhängig von einer Modelltemperatur, die für einen vorangegangenen Zeitpunkt ermittelt wurde,
- abhängig von der für den aktuellen Zeitpunkt ermittelten Modelltemperatur eine Zylinderluftmasse zu ermitteln, die sich nach Schließen der Gaswechselventile in dem jeweiligen Zylinder befindet.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10240546B2 (en) 2014-05-22 2019-03-26 Continental Automotive Gmbh Method and device for operating an internal combustion engine

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6328201B2 (ja) * 2016-10-05 2018-05-23 三菱電機株式会社 内燃機関の制御装置
FR3086336B1 (fr) * 2018-09-24 2020-09-04 Continental Automotive France Procede de commande d'un moteur a combustion interne refroidi par air

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0886725B1 (de) 1996-03-15 1999-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum modellgestützten bestimmen der in die zylinder einer brennkraftmaschine einströmenden frischluftmasse bei externer abgasrückführung
EP0820559B1 (de) 1995-04-10 1999-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum modellgestützten bestimmen der in die zylinder einer brennkraftmaschine einströmenden luftmasse
EP1443199A1 (de) * 2001-10-15 2004-08-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Saugluftvolumenschätzvorrichtung für verbrennungsmotor
EP1795728A1 (de) * 2004-09-06 2007-06-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Vorrichtung zur schätzung der verbrennungsmotorluftmenge
EP1837512A1 (de) * 2005-01-11 2007-09-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verbrennungsmotor-luftmengenschätzungsvorrichtung
WO2009092504A1 (de) * 2008-01-24 2009-07-30 Continental Automotive Gmbh Verfahren und vorrichtung zur identifizierung eines fehlerhaften drucksensors in einem ansaugtrakt einer brennkraftmaschine
DE112009002079T5 (de) * 2008-09-01 2012-07-05 Toyota Jidosha K.K. Brennkraftmaschinensystemsteuerungsvorrichtung
EP2527634A1 (de) * 2010-01-18 2012-11-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gasstatusmessvorrichtung für einen verbrennungsmotor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2615811B2 (ja) * 1988-04-22 1997-06-04 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の燃料噴射量制御装置
US5931140A (en) * 1997-05-22 1999-08-03 General Motors Corporation Internal combustion engine thermal state model
DE19739901B4 (de) * 1997-09-11 2008-04-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen
JP5133332B2 (ja) 2009-12-15 2013-01-30 日立オートモティブシステムズ株式会社 内燃機関の制御装置
JP5328967B1 (ja) * 2012-10-25 2013-10-30 三菱電機株式会社 内燃機関のシリンダ吸入空気量推定装置
US9494092B2 (en) * 2013-03-13 2016-11-15 GM Global Technology Operations LLC System and method for predicting parameters associated with airflow through an engine
DE102014209793B4 (de) 2014-05-22 2020-02-06 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0820559B1 (de) 1995-04-10 1999-09-15 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum modellgestützten bestimmen der in die zylinder einer brennkraftmaschine einströmenden luftmasse
EP0886725B1 (de) 1996-03-15 1999-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum modellgestützten bestimmen der in die zylinder einer brennkraftmaschine einströmenden frischluftmasse bei externer abgasrückführung
EP1443199A1 (de) * 2001-10-15 2004-08-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Saugluftvolumenschätzvorrichtung für verbrennungsmotor
EP1795728A1 (de) * 2004-09-06 2007-06-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Vorrichtung zur schätzung der verbrennungsmotorluftmenge
EP1837512A1 (de) * 2005-01-11 2007-09-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Verbrennungsmotor-luftmengenschätzungsvorrichtung
WO2009092504A1 (de) * 2008-01-24 2009-07-30 Continental Automotive Gmbh Verfahren und vorrichtung zur identifizierung eines fehlerhaften drucksensors in einem ansaugtrakt einer brennkraftmaschine
DE112009002079T5 (de) * 2008-09-01 2012-07-05 Toyota Jidosha K.K. Brennkraftmaschinensystemsteuerungsvorrichtung
EP2527634A1 (de) * 2010-01-18 2012-11-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gasstatusmessvorrichtung für einen verbrennungsmotor

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Handbuch Verbrennungsmotor, Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven", June 2002, FRIEDRICH VIEWEG & SOHN VERLAGSGESELLSCHAFT MBH, pages: 557 - 559
"Regelungstechnik. Mehrgrössensysteme Digitale Regelung passage ED - Jan Lunze", 1 January 2002, REGELUNGSTECHNIK. MEHRGRÖSSENSYSTEME DIGITALE REGELUNG, SPRINGER VERLAG, DE, PAGE(S) 294 - 299, ISBN: 3-540-43116-0, XP007923174 *
FRANK ALLGÖWER: "Zustandsrekonstruktion mittels Beobachtern", 19 February 2002 (2002-02-19), pages 1 - 4, XP055201237, Retrieved from the Internet <URL:http://www.ist.uni-stuttgart.de/education/courses/RTI/download/handouts/Handout_Beobachter.pdf> [retrieved on 20150709] *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10240546B2 (en) 2014-05-22 2019-03-26 Continental Automotive Gmbh Method and device for operating an internal combustion engine

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US10240546B2 (en) 2019-03-26
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