DE102004047099B3

DE102004047099B3 - Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004047099B3
Application number: DE200410047099
Authority: DE
Inventors: Andreas Kerschbaummayr; Thomas Fortner; Michael Dr. Schinnerl; Christian Ertl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors, wobei Frischluft mit dem über eine Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors gemischt und die daraus resultierende Gesamtluftmasse mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Zur Bestimmung der Frischluftmasse wird die von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängige Gesamtluftmasse am Einlass des zugeführten Abgases im Ansaugkanal ermittelt und durch Multiplikation der ermittelten Gesamtluftmasse mit dem in einem jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelten Verhältnis aus Frischluftmasse und Gesamtluftmasse bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors.
Für eine optimale Steuerung eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung ist die genaue Kenntnis der Frischluftmasse im Ansaugtrakt von Bedeutung. In der Regel wird die Frischluftmasse mittels eines Heißfilmluftmassenmessers ermittelt. Nachteilig ist hierbei, dass der Heißfilmluftmassenmesser meist starke Exemplar- und Laufzeitstreuungen aufweist und zudem neben den Anschaffungskosten auch beträchtliche Gewährleistungskosten verursacht.

Aus der DE 103 32 698 A1 ist eine Alternative zur Verwendung eines Heißfilmluftmassenmessers zur Bestimmung der Frischluftmasse bekannt. Hierbei wird die Frischluftmasse in Abhängigkeit vom eingespritzten Kraftstoffmassenstrom und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnet. Eine derartige Berechnung der Frischluftmasse ist allerdings nur in Stationärzuständen des Verbrennungsmotors möglich beziehungsweise sinnvoll.

Weiter ist aus der DE 102 60 322 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Abgasrückführungsmassenstroms eines Verbrennungsmotors bekannt. Hierbei wird zur Bestimmung des Abgasrückführungsmassenstroms eine von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängige Kennlinie des Gesamtluftmassenstroms des dem mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführten Gasgemisches ermittelt, diese Kennlinie an den für verschiedene Betriebspunkte des Verbrennungsmotors bekannten Frischluftmassenstrom angepasst und der Abgasrückführungsmassenstrom in Abhängigkeit von einem im augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors gemessenen Frischluftmassenstroms unter Verwendung der angepassten Kennlinie bestimmt.

Aus der DE 101 58 250 A1 und der Veröffentlichung „Füllungserfassung für aufgeladene Dieselmotoren" (Tagungsbericht zur AUTOREG 2002, VDI-Berichte Nr. 1672, 2002, S. 311–322) von H. -G. Nitzke und T. Rebohl sind bereits Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors bekannt. Hierbei wird zur Bestimmung des Frischluftmassenstroms ein physikalisch basiertes Modell zur Nachbildung des Speicherverhaltens des Ansaugtrakts des Verbrennungsmotors zwischen dem Verdichter und der Mischstelle, an der angesaugte Fischluft mit zurückgeführtem Abgas gemischt wird, durch Modellierung eines Speichervolumens für die von dem Ansaugtrakt angesaugte Frischluft mit einer anschließenden Drosselstelle angewendet. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors wird mit Hilfe des Modells der über den Ansaugtrakt zu der Mischstelle fließende Frischluftmassenstrom bestimmt.

Zum weiteren technischen Umfeld wird noch auf die DE 199 38 260 A1 verwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors ohne Verwendung eines Heißfilmluftmassenmessers anzugeben, welches auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors eine optimale Bestimmung der Frischluftmasse ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors, wobei Frischluft mit dem über eine Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors gemischt und die daraus resultierende Gesamtluftmasse mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wird zur Bestimmung der Frischluftmasse die von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängige Gesamtluftmasse am Einlass des zugeführten Abgases im Ansaugkanal ermittelt und anschließend die Frischluftmasse durch Multiplikation der ermittelten Gesamtluftmasse mit einem in einem jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelten Verhältnis aus Frischluftmasse und Gesamtluftmasse im Betriebspunkt bestimmt.

Die Gesamtluftmasse ergibt sich aus der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftmasse und dem durch die Abgasrückführung zugeführten Abgas und kann unter Verwendung verschiedener Betriebsparameter, wie bspw. der Drehzahl des Verbrennungsmotors, der Temperatur und dem Druck in einem Luftsammler mittels bekannter mathematischer Modelle und gegebenenfalls weiterer dynamischer Korrekturen berechnet werden. Die Gesamtluftmasse lässt sich bspw. in guter Näherung durch das p, T, n, – beziehungsweise Füllmodell und einen additiven Dynamikfaktor bestimmen.

Durch die Multiplikation der ermittelten Gesamtluftmasse mit dem im aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors vorliegenden Frischluftmassen-Gesamtluftmassen-Verhältnis ergibt sich daraus die Frischluftmasse im aktuellen Betriebspunkt. Das Verfahren bietet den Vorteil, dass die Frischluftmasse auch beim dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors für jeden Betriebspunkt eindeutig bestimmt werden kann.

Das im augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors vorliegende Verhältnis aus Frischluftmasse und Gesamtluftmasse kann vorteilhafterweise in einem Kennfeld in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, zum Beispiel von der Drehzahl oder dem Regeldruck des Verbrennungsmotors, abgelegt sein. Als Betriebsparameter eignen sich in besonders vorteilhafter Weise die in den Zylinder einströmende Kraftstoff-Einspritzmenge und die Stellung des das Abgas zurückführenden Abgasrückführungsventils. Somit kann das im jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors vorliegende Verhältnis aus Frischluftmasse und Gesamtluftmasse vorteilhafterweise in einem Kennfeld in Abhängigkeit von der in den Zylinder einströmenden Kraftstoff-Einspritzmenge und der Stellung des das Abgas zurückführenden Abgasrückführungsventils abgelegt sein. Dieses Kennfeld kann mittels Messungen beim Automobilhersteller festgelegt werden.

Um möglicherweise auftretende Systemveränderungen und Injektorfehler berücksichtigen zu können, wird das im Steuergerät abgelegte Kennfeld vorteilhafterweise während des Betriebs des Verbrennungsmotors dynamisch angepasst. Diese dynamische Anpassung beziehungsweise Adaption des Kennfelds ist bei Stationärzuständen des Verbrennungsmotors möglich, da in den Stationärzuständen die Frischluftmasse über die Beziehung WFLStat = 14.5·qinj·λAG bekannt ist, wobei q_inj die dem Zylinder zugeführte Kraftstoff-Einspritzmenge und λ_AG das im Abgas herrschende Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Das im Abgas herrschende Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird vorteilhafterweise mittels eines λ-Sensors im Abgaskanal gemessen.

Durch das angepasste Kennfeld bzw. das an den aktuellen Betriebspunkt angepasste Frischluftmassen-Gesamtluftmassen-Verhältnis kann bei der Multiplikation des adaptierten Verhältnisses mit der berechneten Gesamtluftmasse die Frischluftmasse über den gesamten Betriebsbereich und die gesamte Laufzeit des Verbrennungsmotors eindeutig bestimmt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Ausführungsform zur Bestimmung der Frischluftmasse gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In einem Berechnungsblock 1 wird zuerst die von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängige Gesamtluftmasse W_G' berechnet, die beim Einlass des Verbrennungsmotors vorliegt. Diese am Einlass des Verbrennungsmotors vorliegende Gesamtluftmasse W_G' wird mittels der bekannten Gleichung des Füllmodells berechnet. Die Gleichung des Füllmodells lautet

n: die Drehzahl des Verbrennungsmotors,
p: _L der Druck im Luftsammler,
T: _L die Temperatur im Luftsammler,
V: _Mot das Hubvolumen des Zylinders,
R: die spezifische Gaskostante für Luft und
η_Vol: der vol. Wirkungskrad ist.

Der Druck p_L, die Temperatur T_L und die Drehzahl n des Verbrennungsmotors werden mittels Sensoren erfasst und liegen als Betriebsparameter am Eingang des Berechnungsblocks 1 an. Das Hubvolumen V_Mot des Zylinders ist durch den Zylinder eindeutig bestimmt und somit konstant. Der Wirkungsgrad η_Vol ist in der Regel in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem Druck p in einem η_Vol- Kennfeld hinterlegt.
Die im Berechnungsblock 1 ermittelte Gesamtluftmasse W_G', die am Einlass des Verbrennungsmotors vorliegt, wird in einer Korrektureinheit 2 mit einem Dynamikanhebungsanteil D korrigiert, um so den Wert der Gesamtluftmasse W_G am Einlass des zurückgeführten Abgases im Ansaugkanal zu erhalten.
Diese dynamische Korrektur ist notwendig, da das oben beschriebene p, T, n- bzw. Füllmodell einen zeitlich späteren Wert der Gesamtluftmasse W_G' liefert, als er tatsächlich beim Einlass des durch die Abgasrückführung zurückgeführten Abgases vorliegt. Der Dynamikanhebungsanteil D wird beim Automobilhersteller durch Messungen abgestimmt.
Der so ermittelte Wert der Gesamtluftmasse W_G wird in einer Multiplikationseinheit 3 mit einem in einem jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelten Verhältnis
im folgenden a_BP genannte, aus Frischluftmasse (W_FL)_BP und Gesamtluftmasse (W_G)_BP multipliziert. Aus dem Produkt der Gesamtluftmasse W_G und dem Verhältnis a_BP ergibt sich die im Ansaugkanal beim Abgasrückführungsventil vorliegende Frischluftmasse W_FL.
Das Verhältnis bzw. der dem Verhältnis entsprechende Faktor a_BP ist in einem Kennfeld 4 in Abhängigkeit von der in den Zylinder einströmenden Kraftstoff-Einspritzmenge q_inj und der Stellung des Abgasrückführungsventils S_AG hinterlegt. Die Erstbedatung des Kennfelds findet beim Automobilhersteller statt.
Bei Stationärzuständen des Verbrennungsmotors kann in einer Adaptionseinheit 5 der im Kennfeld 4 hinterlegte Verhältnisfaktor a_BP in Anhängigkeit von der in den Zylinder einströmenden Kraftstoff-Einspritzmenge q_inj und dem mittels einer λ-Sonde im Abgaskanal gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ_AG angepasst beziehungsweise adaptiert werden. Die Beziehung lautet WFLSTat = 14,5·qinj·λAC, wobei

q: _inj die in den Zylinder einströmende Kraftstoff-Einspritzmenge und
λ_AG: das mittels einer λ-Sonde im Abgaskanal gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Durch das angepasste Kennfeld 4 bzw. das an den aktuellen Betriebspunkt angepasste Frischluftmassen-Gesamtluftmassen-Verhältnis a_BP kann bei der Multiplikation des adaptierten Verhältnisses a_BP mit der berechneten Gesamtluftmasse W_G die Frischluftmasse über den gesamten Betriebsbereich und die gesamte Laufzeit des Verbrennungsmotors eindeutig bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Frischluftmasse im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors, wobei Frischluft mit dem über eine Abgasrückführung zurückgeführten Abgas des Verbrennungsmotors gemischt und die daraus resultierende Gesamtluftmasse mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei zur Bestimmung der Frischluftmasse die von verschiedenen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors abhängige Gesamtluftmasse am Einlass des zugeführten Abgases im Ansaugkanal ermittelt wird und wobei die Frischluftmasse durch Multiplikation der ermittelten Gesamtluftmasse mit dem in einem jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelten Verhältnis aus Frischluftmasse und Gesamtluftmasse bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das im jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelte Verhältnis (a) aus Frischluftmasse ((W_FL)_BP) und Gesamtluftmasse ((W_G)_BP) in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern (q_inj, S_AGR) des Verbrennungsmotors in einem Kennfeld (4) abgelegt ist, wobei das Kennfeld (4) durch die bei Stationärzuständen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der in den Zylinder des Verbrennungsmotors einströmenden Kraftstoff-Einspritzmenge (q_inj) und dem im Abgas herrschenden Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_AG) bekannten Frischluftmasse (W_FLStat) dynamisch angepasst wird, und wobei das im Abgas herrschende Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ_AG) mittels einer λ-Sonde im Abgaskanal ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im jeweils augenblicklichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelte Verhältnis (a) aus Frischluftmasse ((W_FL)_BP) und Gesamtluftmasse ((W_G)_BP) in Abhängigkeit von der in den Zylinder des Verbrennungsmotors einströmenden Kraftstoff-Einspritzmenge (q_inj) und der Stellung eines Abgasrückführungsventils (S_AGR) in einem Kennfeld (4) abgelegt ist.