-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht von einem Verfahren und von einer Vorrichtung zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Massenstromleitung
nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
-
So
ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 007 057 A1 eine Füllungsregelung
bekannt, die eine dynamisch genaue Regelung anstrebt. Dazu wird
ein für das dynamische Verhalten eines Parameters charakteristischer
Wert ermittelt. Eine Füllung eines Zylinders lässt
sich somit exakt einstellen. Ein entsprechendes Luftmodell kann
dazu verwendet werden, auf Grundlage der momentanen Einstellgrößen
gemeinsam mit Druck, Temperatur und Mischungszustand im Saugrohr
und der Motordrehzahl die aktuell oder in nächster Zukunft
angesaugte Luftmenge zu bestimmen. Die invertierte Funktion kann
dazu genutzt werden, gezielt die Einflussgrößen
des angesaugten Volumens zu verstellen, um eine dem Zielwert des
Drehmomentes angemessene Luftmenge einzustellen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Massenstromleitung mit
den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
demgegenüber den Vorteil, dass der Sollwert der für
den Massenstrom charakteristischen Größe ausgehend
von einer Bilanz des in die Massenstromleitung zufließenden
Massenstroms und des aus der Massenstromleitung abfließenden
Massenstroms gemäß einem vor gegebenen zeitlichen
Verlauf gebildet wird. Auf diese Weise lässt sich eine
gewünschte Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine
insbesondere in dem Fall, in dem sie sich sprungförmig ändert, dennoch
gemäß einer vorgegebenen bzw. gewünschten
Dynamik durch den vorgegebenen zeitlichen Verlauf für den
Sollwert der für den Massenstrom charakteristischen Größe
umsetzen. Auf diese Weise kann ein Istwert der für den
Massenstrom charakteristischen Größe, beispielsweise
im Rahmen einer Regelung, dem Sollwert ebenfalls mit der gewünschten
Dynamik folgen.
-
Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
-
Vorteilhaft
ist dabei, wenn als Sollwert der für den Massenstrom charakteristischen
Größe ein Sollwert für diesen Massenstrom
gewählt wird und wenn als Sollwert für den Massenstrom
in der Bilanz des in die Massenstromleitung zufließenden
Massenstroms und des aus der Massenstromleitung abfließenden Massenstroms
der in die Massenstromleitung zufließende Massenstrom gewählt
wird. Auf diese Weise lässt sich der Sollwert der für
den Massenstrom charakteristischen Größe besonders
einfach und wenig aufwendig bilden.
-
Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der vorgegebene zeitliche Verlauf
als zeitlicher Verlauf gemäß einem Proportional-Zeitglied,
vorzugsweise erster Ordnung, mit einer vorgegebenen Zeitkonstante gewählt
wird. Auf diese Weise lässt sich der vorgegebene zeitliche
Verlauf für den Sollwert der für den Massenstrom
charakteristischen Größe besonders einfach und
wenig aufwendig in die Bilanz des in die Massenstromleitung zufließenden
Massenstroms und des aus der Massenstromleitung abfließenden Massenstroms
einsetzen, ohne dass diese Bilanz nennenswert in ihrer Genauigkeit
beeinträchtigt wird.
-
Ein
weiterer Vorteil ergibt sich, wenn eine zeitliche Änderung
der Masse in der Massenstromleitung als Differenz zwischen zufließendem
Massenstrom und abfließendem Massenstrom gebildet wird und
wenn dieser Zusammenhang zur Bestimmung des Sollwertes der für
den Massenstrom charakteristischen Größe nach
dem zufließenden Massenstrom aufgelöst wird und
die zeitliche Änderung der Masse in der Massenstromleitung
durch den vorgegebenen zeitlichen Verlauf ersetzt wird. Dies stellt
eine besonders einfache und wenig aufwendige Realisierung zur Bestimmung
des Sollwertes der für den Massenstrom charakteristischen
Größe gemäß dem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf dar, die wenig Rechenaufwand erfordert.
-
Dabei
ist vorteilhaft, wenn der Zusammenhang zur Bestimmung des Sollwertes
der für den Massenstrom charakteristischen Größe
unter Berücksichtigung der idealen Gasgleichung nach dem zufließenden
Massenstrom aufgelöst wird, so dass die zeitliche Änderung
der Masse in der Massenstromleitung in eine zeitliche Änderung
des Druckes in der Massenstromleitung umgewandelt wird, wenn abhängig
von einer gewünschten Ausgangsgröße der
Brennkraftmaschine ein Sollwert für den Druck gebildet
wird und wenn die zeitliche Änderung des Druckes als Differenzenquotient
aus der Differenz zwischen dem Sollwert für den Druck und
einem aktuellen Druck pro Zeiteinheit gebildet wird. Auf diese Weise
lässt sich die gewünschte Ausgangsgröße
mit Hilfe des Sollwertes der für den Massenstrom charakteristischen
Größe gemäß dem vorgegebenen bzw.
gewünschten zeitlichen Verlauf in einfacher und wenig aufwendiger
Weise umsetzen.
-
Ein
weiterer Vorteil ergibt sich dabei, wenn als Zeiteinheit die vorgegebene
Zeitkonstante gewählt wird. Somit lässt sich für
die Umsetzung der gewünschten Ausgangsgröße
als gewünschter bzw. vorgegebener zeitlicher Verlauf in
einfacher und wenig aufwendiger Weise der zeitliche Verlauf gemäß dem
Proportional-Zeitglied vorgeben.
-
Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn der vorgegebene zeitliche Verlauf im Hinblick
auf einen gewünschten Kraftstoffverbrauch und/oder ein
gewünschtes Ansprechverhalten und/oder eine gewünschte
Reproduzierbarkeit zur Einstellung einer gewünschten Ausgangsgröße
der Brennkraftmaschine mittels dem Sollwert der für den
Massenstrom charakteristischen Größe bestimmt
wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass durch Umsetzung
der gewünschten Ausgangsgröße mittels
des Sollwertes der für den Massenstrom charakteristischen
Größe gemäß dem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf der Kraftstoffverbrauch und/oder das Ansprechverhalten und/oder
eine gewünschte Reproduzierbarkeit zur Einstellung der
ge wünschten Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine
mittels dem Sollwert der für den Massenstrom charakteristischen
Größe optimiert werden kann.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine und
-
2 ein
Funktionsdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
In 1 kennzeichnet 1 eine
Brennkraftmaschine, die beispielsweise als Otto-Motor oder als Diesel-Motor
ausgebildet ist. Dabei umfasst die Brennkraftmaschine 1 einen
oder mehrere Zylinder, von denen in 1 beispielhaft
einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet
ist. Dem Zylinder 35 wird über eine Luftzufuhr 10 Frischluft
zugeführt. Die Strömungsrichtung der Frischluft
in der Luftzufuhr 10 ist in 1 durch
Pfeile gekennzeichnet. In der Luftzufuhr 10 ist ein Stellglied,
beispielsweise in Form einer Drosselklappe, angeordnet, durch dessen
Stellung bzw. Öffnungsgrad der Luftmassenstrom zum Zylinder 35 beeinflusst
wird. Die Stellung bzw. der Öffnungsgrad des Stellgliedes 20 wird
dabei von einer Motorsteuerung 15 beispielsweise unter
Verwendung eines in 1 nicht dargestellten Regelkreises
eingestellt. Dabei wird eine Iststellung des Stellgliedes 20 einer
Sollstellung des Stellgliedes 20 nachgeführt.
Die Iststellung kann beispielsweise durch einen Stellungsgeber im
Bereich des Stellgliedes 20, beispielsweise in Form eines
Potentiometers, erfasst und an die Motorsteuerung 15 weitergeleitet
werden. Ein solcher Stellungsgeber ist in 1 durch
das Bezugszeichen 175 gekennzeichnet. Die Sollstellung
des Stellgliedes 20 kann in der Motorsteuerung 15 beispielsweise
abhängig von einem Sollluftmassenstrom zum Zylinder 35 ermittelt werden,
wobei der Sollluftmassenstrom beispielsweise abhängig von
einer oder mehreren koordinierten Anforderungen an ein von der Brennkraftmaschine 1 abzugebendes
Drehmoment oder eine von der Brennkraftmaschine 1 abzugebende
Leistung in der Motorsteuerung 15 ermittelt werden kann.
Im einfachsten und in 1 angedeuteten Fall wird der Sollluftmassenstrom
dabei abhängig von einem Fahrerwunschmoment FW gebildet,
das von einem Fahrpedalmodul 65 der Motorsteuerung 15 zugeführt wird.
Das Fahrpedalmodul 65 bildet dabei das Fahrerwunschmoment
FW abhängig vom Betätigungsgrad eines Fahrpedals
eines von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben Fahrzeugs.
Die Bildung des Sollluftmassenstroms wird nachfolgend anhand des Funktionsdiagramms
nach 2 beschrieben. Stromab der Drosselklappe 20 geht
die Luftzufuhr 10 in ein Saugrohr 5 über,
in dem ein Saugrohrdrucksensor 45 und ein Saugrohrtemperatursensor 50 angeordnet
sind. Der Saugrohrdrucksensor 45 misst den aktuellen Saugrohrdruck
ps und leitet die Messwerte an die Motorsteuerung 15 weiter.
Der Saugrohrtemperatursensor 50 misst die aktuelle Saugrohrtemperatur
TS und leitet die Messwerte an die Motorsteuerung 15 weiter. Über
ein Einlassventil 25 wird schließlich die Frischluft
in einen Brennraum des Zylinders 35 gesaugt. Das Einlassventil 25 kann
dabei entweder durch eine Nockenwelle oder durch elektrohydraulische
oder elektromechanische Ventilsteuerung hinsichtlich seines Öffnungszeitpunktes
und seiner Öffnungsdauer eingestellt werden. Im Beispiel
nach 1 soll angenommen werden, dass Öffnungszeit und Öffnungsdauer
des Einlassventils 25 durch eine Einlassnockenwelle in
dem Fachmann bekannter Weise geöffnet und geschlossen wird.
Die Steuerung von Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer
eines Auslassventils 30 zum Auslass des bei der Verbrennung
von Luft und Kraftstoff im Brennraum des Zylinders 35 gebildeten
Abgases in einen Abgasstrang 40 erfolgt in gleicher Weise,
wobei in 1 wiederum eine Ansteuerung
des Auslassventils 30 durch eine Auslassnockenwelle im
Hinblick auf das Öffnen und Schließen des Auslassventils 30 angenommen
werden soll. Die Zufuhr von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders 35 ist
in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt und kann entweder direkt oder über das
Saugrohr 5 oder über die Luftzufuhr 10 mittels
eines oder mehrerer geeigneter Einspritzventile erfolgen. Im Falle
eines Otto-Motors ist außerdem eine Zündkerze
vorgesehen, die das Luft-/Kraftstoffgemisch im Brennraum des Zylinders 35 zündet.
-
Ein
Nockenwellensensor 70 im Bereich des Zylinders 35 bzw.
der Einlass- oder Auslassnockenwelle ermittelt die aktuelle Nockenwellenstellung
in °NW und leitet die Messwerte an die Motorsteuerung 15 weiter.
Anhand der aktuellen Nocken- Wellenstellung °NW der Einlass-
oder Auslassnockenwelle kann die Motorsteuerung 15 in dem
Fachmann bekannter Weise erkennen, ob das Einlassventil 25 gerade
geöffnet oder geschlossen ist und ob das Auslassventil 30 gerade
geöffnet oder geschlossen ist. Dabei kann aus der Stellung
der Einlassnockenwelle auch auf den Öffnungszustand des
Auslassventils 30 aufgrund eines festen Zusammenhangs zwischen den Öffnungs-
und Schließzeiten des Einlassventils 25 und des
Auslassventils 30 über dem Kurbelwinkel geschlossen
werden. Alternativ können auch jeweils ein Nockenwellensensor
für die Einlassnockenwelle und ein Nockenwellensensor für
die Auslassnockenwelle vorgesehen werden.
-
Ein
Drehzahlsensor 55 im Bereich des Zylinders 35 bzw.
der vom Zylinder 35 angetriebenen Kurbelwelle ermittelt
die aktuelle Motordrehzahl n und leitet die Messwerte an die Motorsteuerung 15 weiter. Durch
einen Motortemperatursensor 60 wird die aktuelle Motortemperatur
TM gemessen und die Messwerte an die Motorsteuerung 15 weitergeleitet.
Dabei kann der Motortemperatursensor 60 beispielsweise die
Kühlwassertemperatur messen, die für die Motortemperatur
charakteristisch ist.
-
Erfindungsgemäß geht
es nun um die Ermittlung eines Sollwertes für eine Größe,
die für den Massenstrom zur Brennkraftmaschine 1 bzw.
zum Zylinder 35 charakteristisch ist, wobei es sich bei
dieser Größe beispielsweise um den Luftmassenstrom handeln
kann, der über das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 zufließt.
Im Folgenden soll beispielhaft angenommen werden, dass als Sollwert
der für den Massenstrom charakteristischen Größe
der Sollwert für den über das Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließenden Massenstrom ermittelt
wird. Diese Ermittlung erfolgt dabei in einer Steuereinheit 20 der
Motorsteuerung 15, wobei die Steuereinheit 20 in 1 gestrichelt
dargestellt ist.
-
Ein
Ausführungsbeispiel für die Steuereinheit 20 wird
nachfolgend in 2 anhand eines Funktionsdiagramms
erläutert.
-
Die
Sollfüllung des Brennraums der Brennkraftmaschine 1 bzw.
des Zylinders 35 bzw. der in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1 bzw.
des Zylinders 35 über das Einlassventil 25 aus
dem Saugrohr 5 abfließende Sollmassenstrom ändert
sich während des Betriebes der Brennkraftmaschine 1 insbesondere
beim An trieb eines Fahrzeugs durch die Brennkraftmaschine 1 ständig.
Die beschriebene Regelung für die Stellung des Stellgliedes 20 stellt
sicher, dass die Istfüllung der Sollfüllung nachfolgt.
Das Saugrohr 5 und die Art der Regelung bestimmen die Dynamik,
mit der die Istfüllung der Sollfüllung nachfolgt.
Wenn man z. B. das Stellglied 20 so einstellt, dass der
Istmassenstrom über das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 dem
Sollmassenstrom in den Brennraum des oder der Zylinder 35 aus
dem Saugrohr 5 entspricht, so folgt die Istfüllung
des Brennraums der Sollfüllung des Brennraums nur sehr
langsam, da kein zusätzlicher Massenstrom zum Füllen
bzw. kein reduzierter Massenstrom zum Entleeren des Saugrohrs 5 bereitgestellt
wird.
-
Dieselben
Probleme und Aufgabenstellungen treten auf, wenn z. B. in der Luftzufuhr 10 ein Kompressor
mit Bypassleitung inklusive Bypassventil, gefolgt von einer Drosselklappe
oder alternativ eine Drosselklappe, gefolgt von einem Kompressor mit
Bypassleitung inklusive Bypassventil oder ein sonstiger dem Fachmann
bekannter Aufbau verschiedener Massenstromstellglieder für
die Einstellung des in das Saugrohr 5 zufließenden
Massenstroms vorgesehen und für den Füllungsaufbau
bzw. -abbau verantwortlich sind. In 1 ist als
Beispiel für einen solchen Massenstromsteller eine Drosselklappe
dargestellt. Das Stellglied 20 steht in 1 jedoch
stellvertretend für einen oder mehrere beliebige Massenstromsteller
inklusive deren Verrohrung zur Einstellung eines gewünschten,
dem Saugrohr 5 zufließenden Massenstroms. Die
Regelung dieses ggf. aus mehreren Bauteilen inklusive Verrohrung
bestehenden Stellgliedes 20 stellt sicher, wie sich das Saugrohr 5 leert
bzw. füllt und welche Dynamik der Füllung sich
somit einstellt.
-
Erfindungsgemäß ist
es nun vorgesehen, einen Sollwert für den vom Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließenden Massenstrom bzw. für
eine diesen Massenstrom charakterisierende Größe
gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zu
bilden, so dass sich die Istfüllung des Brennraums gemäß der durch
den vorgegebenen zeitlichen Verlauf definierten Dynamik verhält.
Zu diesem Zweck wird der Sollwert der für den Massenstrom
charakteristischen Größe ausgehend von einer Bilanz
des in das Saugrohr 5 zufließenden Massenstroms
und des aus dem Saugrohr 5 abfließenden Massenstroms
gemäß dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf gebildet.
Als Sollwert der für den Massenstrom charakteristischen Größe wird
dabei im Folgenden wie bereits zuvor beschrieben der Sollwert für
den über das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 zufließenden
Massenstrom gewählt.
-
Dabei
wird aus der Sollfüllung des Brennraums und dem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf unter Berücksichtigung der gerade im
Saugrohr herrschenden Bedingungen, insbesondere hinsichtlich Saugrohrdruck
und Saugrohrtemperatur der Sollmassenstrom berechnet, der vom Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließen soll. Wenn das Stellglied 20 im Rahmen
der beschriebenen Regelung diesen Sollmassenstrom einstellt, stellt
sich auch die gewünschte Dynamik für die Füllung
ein, d. h. die Istfüllung folgt der Sollfüllung
gemäß dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf.
-
Ausgehend
vom Fahrerwunschmoment FW und/oder Momentenanforderungen weiterer
Systeme, wie z. B. einer Antriebsschlupfregelung, einem Antiblockiersystem,
einer Fahrdynamikregelung, einer Fahrgeschwindigkeitsregelung oder
dergleichen wird in dem Fachmann bekannter Weise ein resultierendes
Sollmoment oder eine resultierende Sollleistung der Brennkraftmaschine 1 ermittelt.
Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass ein resultierendes
Sollmoment ermittelt wird. Der Einfachheit halber und wie in 1 dargestellt,
soll für die Beschreibung der Erfindung beispielhaft und
ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen werden, dass
das resultierende Sollmoment dem Fahrerwunschmoment FW entspricht.
Aus dem resultierenden Sollmoment, also im hier beschriebenen Beispiel dem
Fahrerwunschmoment FW, wird unter Berücksichtigung von
Wirkungsgraden und der Motordrehzahl n in dem Fachmann bekannter
Weise die Sollfüllung des Brennraums berechnet. Dabei kann
ebenfalls in dem Fachmann bekannter Weise das Fahrerwunschmoment
FW zuvor durch Lastschlagdämpfung und/oder ein oder mehrere
Fahrbarkeitsfilter aufbereitet werden. Die berechnete Sollfüllung
kann dabei trotz der optional vorhandenen Filterung durch die Lastschlagdämpfung
und/oder das eine oder die mehreren Fahrbarkeitsfilter immer noch
schnellen Änderungen unterworfen sein, denen die Masse
im Saugrohr 5 nicht beliebig schnell nachfolgen kann aufgrund
der Saugrohrdynamik. Die Istfülllung kann also nicht beliebig
schnell der Sollfüllung nachgeführt werden. Deshalb
wird erfindungsgemäß der vom Stellglied 20 einzustellende
Sollmassenstrom in das Saugrohr 5 gemäß dem
vorgegebenen zeitlichen Verlauf vorgegeben werden, damit die Istfüllung
der Sollfüllung mit der dem vorgegebenen zeitlichen Verlauf
entsprechenden gewünschten Dynamik nachfolgen kann.
-
In 2 ist
ein Funktionsdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Steuereinheit 20 der Motorsteuerung 15 dargestellt.
Das Funktionsdiagramm der 2 stellt
zugleich einen Ablaufplan dar, der einen beispielhaften Ablauf des
erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt. Die Steuereinheit 20 kann
beispielsweise software- und/oder hardwaremäßig
in die Motorsteuerung 15 implementiert sein.
-
In
der Steuereinheit 20 wird ausgehend von der Bilanz des
in das Saugrohr 5 zufließenden Massenstroms und
des aus dem Saugrohr 5 abfließenden Massenstroms
der Sollwert für den über das Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließenden Massenstrom gemäß einem
vorgegebenen zeitlichen Verlauf gebildet. Dabei ist es in diesem
Beispiel vorgesehen, dass der vorgegebene zeitliche Verlauf als
zeitlicher Verlauf gemäß einem Proportional-Zeitglied
erster Ordnung mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten gewählt
wird. Alternativ kann auch ein anderer zeitlicher Verlauf vorgegeben
werden, beispielsweise auch ein zeitlicher Verlauf gemäß einem
Proportional-Zeitglied höherer als erster Ordnung mit ebenfalls
vorgegebener Zeitkonstante. Im vorliegenden Beispiel wird für die
Bilanz des in das Saugrohr 5 zufließenden Massenstroms
und des aus dem Saugrohr 5 abfließenden Massenstroms
eine zeitliche Änderung der Masse im Saugrohr 5 als
Differenz zwischen dem in das Saugrohr 5 zufließenden
Massenstrom und dem aus dem Saugrohr 5 abfließenden
Massenstrom gebildet. Dieser Sachverhalt wird durch die folgende
Differentialgleichung für das Saugrohr 5 abgebildet: dm/dt = mszu – msab (1)
-
Dabei
ist m die Masse im Saugrohr 5, dm/dt die zeitliche Änderung
der Masse im Saugrohr 5, ms in das Saugrohr 5 über
das Stellglied 20 zufließende Massenstrom und
msab der aus dem Saugrohr 5 in den
Brennraum abfließende Massenstrom. Erfindungsgemäß wird
dieser Zusammenhang zur Bestimmung des Sollmassenstroms nach dem über
das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 zufließenden
Massenstrom mszu aufgelöst und
die zeitliche Änderung der Masse dm/dt im Saugrohr 5 durch
den vorgegebenen zeitlichen Verlauf gemäß dem
Proportional- Zeitglied erster Ordnung mit der vorgegebenen Zeitkonstante ersetzt.
Der über das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 zufließende
Massenstrom ms ZU wird dann als Sollmassenstrom betrachtet, der
vom Stellglied 20 eingestellt werden soll.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann es dann vorgesehen sein, dass der
durch die Differentialgleichung (1) gebildete Zusammenhang zur
Bestimmung des Sollmassenstroms ms ZU unter Berücksichtigung
der idealen Gasgleichung: ps·VS
= m·R·TS (2)nach
dem über das Stellglied 20 in das Saugrohr 5 zufließenden
Massenstrom mszu und damit nach dem Sollmassenstrom
aufgelöst wird, so dass die zeitliche Änderung
der Masse dm/dt im Saugrohr 5 in eine zeitliche Änderung
dps/dt des Saugrohrdruckes umgewandelt wird. In der idealen Gasgleichung
(2) ist VS das Saugrohrvolumen und R die Gaskonstante. Somit ergibt
sich aus der Differentialgleichung (1) unter Berücksichtigung
der idealen Gasgleichung (2) die folgende Differentialgleichung
für den Saugrohrdruck ps: VS/(R·TS)·dps/dt
= mszu – msab (3).
-
Abhängig
von einer gewünschten Ausgangsgröße der
Brennkraftmaschine 1, beispielsweise in Form des resultierenden
Sollmomentes, als in diesem Beispiel des Fahrerwunschmomentes FW
bzw. der daraus abgeleiteten Sollfüllung wird in dem Fachmann
bekannter Weise ein Sollwert für den Saugrohrdruck gebildet
und die zeitliche Änderung des Saugrohrdruckes dps/dt als
Differenzenquotient aus der Differenz zwischen dem Sollwert für
den Saugrohrdruck und einem aktuellen Saugrohrdruckwert pro Zeiteinheit
gebildet. Als Zeiteinheit kann dabei beispielsweise die vorgegebene
Zeitkonstante des für den vorgegebenen zeitlichen Verlauf
verwendeten Proportional-Zeitgliedes verwendet werden. Somit ergibt
sich aus der Differentialgleichung (3) für den Saugrohrdruck
ps durch Auflösen nach dem über das Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließenden Massenstrom mszu, der dem Sollmassenstrom entspricht, der
vom Stellglied 20 eingestellt werden soll, die folgende
Berechnungsvorschrift für diesen Sollmassenstrom: mszu = msab +
VS/(R·TS)·1/T1·(pssol – ps) (4)
-
Dabei
ist T1 die vorgegebene Zeitkonstante des
Proportional-Zeitgliedes, pssol der Sollsaugrohrdruck und ps der
aktuell gemessene Saugrohrdruck, also der Istsaugrohrdruck.
-
Der
Sollsaugrohrdruck pssol kann beispielsweise unter Verwendung der
aus der
DE 197 53
969 A1 bekannten Beziehungen, wie sie dort beispielsweise
in
2 und der zugehörigen Beschreibung ausgeführt
sind, ermittelt werden. Für die Ermittlung des Sollsaugrohrdruckes
pssol in der Steuereinheit
20 werden daher die aus der
DE 197 53 969 A1 bekannten
Zusammenhänge beispielhaft verwendet. Entsprechend kann
auch der aus dem Saugrohr
5 in den Brennraum abfließende
Massenstrom ms
ab in dem Fachmann bekannter
Weise ermittelt werden, wie es beispielsweise aus der
DE 197 56 919 A1 und dort
beispielsweise in
2 und der zugehörigen
Beschreibung bekannt ist. Für die Ermittlung des aus dem
Saugrohr
5 in den Brennraum abfließenden Massenstroms
ms
ab in der Steuereinheit
20 werden deshalb
beispielhaft die aus der
DE
197 56 919 A1 bekannten Zusammenhänge verwendet.
-
Zunächst
wird die Ermittlung des aus dem Saugrohr 5 in den Brennraum
abfließenden Massenstroms msab beschrieben.
Zu diesem Zweck umfasst die Steuereinheit 20 ein erstes
Kennfeld 95, dem die aktuelle Motordrehzahl n vom Drehzahlsensor 55 und
die aktuell vorliegende Nockenwellenverstellung NWS zugeführt
ist. Die aktuelle Nockenwellenverstellung NWS stellt das Verhältnis
der Stellung der Einlassnockenwelle zur Stellung der Auslassnockenwelle
dar und gibt an, ob und in welchem Ausmaß beispielsweise
eine Ventilüberschneidung zwischen gleichzeitiger Öffnung
des Einlassventils 25 und des Auslassventils 30 vorliegt.
Die aktuelle Nockenwellenverstellung NWS ist dabei in der Steuereinheit 20 bekannt
und beispielsweise in einem fünften Speicher 92 der
Steuereinheit 20 abgelegt. Ausgangsgröße
des ersten Kennfeldes 95 ist ein Korrekturwert P_iagr,
der die systeminhärente Abgasrückführung aufgrund
der Ventilstellungen des Einlassventils 25 und des Auslassventils 30 während
des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 1 berücksichtigt.
Eine solche systeminhärente Abgasrückführung
kann beispielsweise aufgrund einer Ventilüberschneidung durch
Phasen gleichzeitiger Öffnung des Einlassventils 25 und
des Auslassventils 30 entstehen und hängt zudem
von der aktuellen Motordrehzahl n ab. Dieser Korrekturwert P_iagr
wird von dem aktuellen Saugrohrdruck ps, der vom Saugrohrdrucksensor 45 zur
Verfügung gestellt wird, in einem ersten Subtraktionsglied 120 subtrahiert.
Der hieraus resultierende effektive Saugrohrdruck am Ausgang des
ersten Subtraktionsgliedes 120 wird anschließend
in einem ersten Multiplikationsglied 130 mit einem Faktor
F multipliziert, der sich aus der Pumpengleichung und einer empirisch
gewonnenen Funktion zusammensetzt, die die Pulsationseffekte in
Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl n und der aktuellen
Nockenwellenverstellung NWS zusammensetzt. Die Pumpengleichung berücksichtigt
das Hubvolumen VH des Zylinders 35, die aktuelle Motordrehzahl
n, die Gaskonstante R und die Saugrohrtemperatur TS. Der Faktor
F wird dabei in einer Berechnungseinheit 100 aus den genannten
Größen wie folgt ermittelt: F = (VH·n)/(2·R·TS)·f(n,
NWS) (5).
-
Das
Hubvolumen VH ist ebenfalls in der Steuereinheit 20 bekannt
und dort in einem zweiten Speicher 80 abgelegt.
-
In
Gleichung (5) ist f(n, NWS) die empirisch gewonnene Funktion, die
die Pulsationseffekte im Saugrohr 5 in Abhängigkeit
der aktuellen Motordrehzahl n und der aktuellen Nockenwellenverstellung NWS
zusammensetzt. Als Ergebnis der Multiplikation im ersten Multiplikationsglied 130 ergibt
sich der aus dem Saugrohr 5 in den Brennraum des oder der
Zylinder 35 abfließende Massenstrom msab. Dieser wird einem zweiten Additionsglied 155 zugeführt.
-
Zur
Bestimmung des Sollsaugrohrdruckes pssol wird einem zweiten Kennfeld 105 der
Steuereinheit 20 das Fahrerwunschmoment FW, das in diesem
Fall beispielhaft als resultierendes Sollmoment angenommen wird,
und die aktuelle Motordrehzahl n zugeführt. Das zweite
Kennfeld 105 bildet dann in dem Fachmann bekannter Weise
die Sollfüllung rlsol des Brennraums der Brennkraftmaschine 1.
Dabei kann es optional vorgesehen sein, dass das Fahrerwunschmoment
FW bzw. das resultierende Sollmoment vor der Zuführung
zum zweiten Kennfeld 105 noch optional einer Lastschlagdämpfung
und/oder einem oder mehreren Fahrbarkeitsfiltern zugeführt wird.
Die Sollfüllung rlsol wird in einem ersten Divisionsglied 60 durch
einen Umrechnungsfaktor fpsurl dividiert, der sich am Ausgang eines
dritten Multiplikationsgliedes 140 ergibt. Der Umrechnungsfaktor fpsurl
am Ausgang des dritten Multiplikationsgliedes 140 ergibt
sich dabei durch Multiplikation des Ausgangssignals eines dritten
Kennfeldes 110 mit dem Ausgangssignal eines Modells 115.
Dem dritten Kennfeld 110 ist zum einen der aktuelle Nockenwellenwinkel °NW
der Einlassnockenwelle vom Nockenwellenwinkelsensor 70 und
zum anderen die aktuelle Motordrehzahl n zugeführt.
-
Der
Nockenwellenwinkelsensor 70 erfasst in diesem Beispiel
die aktuelle Nockenwellenposition °NW der Einlassnockenwelle.
Ausgehend von der aktuellen Position °NW der Einlassnockenwelle
ist bei bekannter Nockenwellenverstellung NWS zwischen der Einlassnockenwelle
und der Auslassnockenwelle auch die aktuelle Nockenwellenposition °NW
der Auslassnockenwelle festgelegt und bekannt.
-
Das
dritte Kennfeld
110 ermittelt in Abhängigkeit
der Nockenwellenposition °NW der Einlassnockenwelle und
der aktuellen Motordrehzahl n in aus der
DE 197 53 969 A1 bekannten
Weise einen Faktor KFPSURL, der dem dritten Multiplikationsglied
140 zugeführt
wird. Das Modell
115 ermittelt in ebenfalls aus der
DE 197 53 969 A1 bekannten
Weise einen Brennraumtemperaturfaktor ftbr in Abhängigkeit
der vom Motortemperatursensor
60 zugeführten aktuellen
Motortemperatur TM und der vom Saugrohrtemperatursensor
50 zugeführten
aktuellen Saugrohrtemperatur TS. Die ermittelte Brennraumtemperatur wird
dabei zur Bildung des Korrekturfaktors ftbr auf eine Temperatur
von 273 K normiert, auf die die Werte des dritten Kennfeldes
110 abgestimmt
sind. Der Brennraumtemperaturkorrektorfaktor ftbr wird ebenfalls
dem dritten Multiplikationsglied
140 zugeführt. Somit
ergibt sich der Umrechnungsfaktor fpsurl am Ausgang des dritten
Multiplikationsgliedes wie folgt:
fpsurl
= ftbr·KFPSURL (6) -
Im
ersten Divisionsglied
160 wird dann die Sollfüllung
rlsol durch den Umrechnungsfaktor fpsurl dividiert und der sich
bildende Quotient am Ausgang des ersten Divisionsgliedes
160 einem
ersten Additionsglied
150 zugeführt und dort zum
Ausgangssignal eines vierten Kennfeldes
180 addiert. Dem
vierten Kennfeld
180 wird einerseits die aktuelle Motordrehzahl
n und andererseits die aktuelle Nockenwellenstellung °NW
der Einlassnockenwelle zugeführt. Das Ausgangssignal des
vierten Kennfeldes
180 ist der Kennfeldwert KFPIRG, der
dem ersten Additionsglied
150 zugeführt wird.
Das vierte Kennfeld
180 bildet gemäß der
DE 197 53 969 A1 den
Restgasanteil KFPIRG in Abhängigkeit der aktuellen Motordrehzahl n
und der aktuellen Nockenwellenstellung °NW der Einlassnockenwelle.
Dabei kann wie in der
DE
197 53 969 A1 beschrieben, in
2 aus Gründen
der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt, der ausgelesene
Wert KFPIRG des vierten Kennfeldes
180 in einer Multiplikationsstelle
mit einem aus einem gemessenen Umgebungsdruck abgeleiteten Korrekturfaktor
multipliziert werden, um eine Höhenkorrektur durchzuführen.
-
Im
ersten Additionsglied 150 wird somit der ggf. höhenkorrigierte
Wert KFPIRG des vierten Kennfeldes 180 mit dem Quotienten
rlsol/fpsurl addiert, um am Ausgang des ersten Additionsgliedes 150 den Sollsaugrohrdruck
pssol zu bilden. Dieser wird einem zweiten Subtraktionsglied 125 zugeführt,
dem auch der aktuelle Saugrohrdruck ps zugeführt wird.
Im zweiten Subtraktionsglied 125 wird der aktuelle Saugrohrdruck
PS vom Sollsaugrohrdruck pssol subtrahiert. Die sich bildende Differenz
wird in einem zweiten Divisionsglied 165 durch die vorgegebene Zeitkonstante
T1 dividiert, die in einem dritten Speicher der Steuereinheit 20 abgelegt
ist. Die vorgegebene Zeitkonstante T1 kann dabei beispielsweise
auf einem Prüfstand und/oder in Fahrversuchen geeignet
appliziert werden, um einen gewünschten vorgegebenen zeitlichen
Verlauf der Istfüllung zu realisieren. Bei dieser Applikation
der vorgegebenen Zeitkonstante T1 kann dabei ein gewünschter
Kraftstoffverbrauch und/oder ein gewünschtes Ansprechverhalten
der Brennkraftmaschine auf einen Fahrerwunsch bzw. ein Fahrerwunschmoment
hin und/oder eine gewünschte Reproduzierbarkeit zur Einstellung der
gewünschten Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine 1,
beispielsweise des Fahrerwunschmomentes mittels dem Sollmassenstrom
in das Saugrohr 5 bestimmt werden derart, dass beispielsweise
der Kraftstoffverbrauch und/oder das Ansprechverhalten und/oder
die gewünschte Reproduzierbarkeit jeweils einen optimalen
Wert annehmen. In vorteilhafter Weise kann dabei beispielsweise
das Ansprechverhalten mit höherer Priorität als
die gewünschte Reproduzierbarkeit und die gewünschte
Reproduzierbarkeit mit höherer Priorität als der
Kraftstoffverbrauch optimiert werden. Am Ausgang des zweiten Divisionsgliedes 165 ergibt
sich der Quotient (pssol – ps)/T1, der einem vierten Multiplikationsglied 145 zugeführt
wird und dort mit dem Saugrohrvolumen VS multipliziert wird, das
in der Steuereinheit 20 bekannt und in einem vierten Speicher 90 abgelegt
ist. Das durch das vierte Multiplikationsglied 145 gebildete
Produkt wird einem dritten Divisionsglied 170 zugeführt
und dort durch den Ausgang eines zweiten Multiplikationsgliedes 135 dividiert.
Der Ausgang des zweiten Multiplikationsgliedes 135 ergibt
sich durch Multiplikation der aktuellen Saugrohrtemperatur TS mit
der Gaskonstanten R, die in einem ersten Speicher 75 der Steuereinheit 20 abgelegt
ist. Der gebildete Quotient am Ausgang des dritten Divisionsgliedes 170 wird
im zweiten Additionsglied 155 mit dem aus dem Saugrohr 5 in
den Brennraum abfließenden Massenstrom msab am
Ausgang des ersten Multiplikationsgliedes 130 addiert.
Die sich bildende Summe am Ausgang des zweiten Additionsgliedes 155 ist
dann der Sollmassenstrom mszusol, der über
das Stellglied 20 eingestellt und über das Stellglied 20 in
das Saugrohr 5 zufließen soll. Somit entspricht
der Sollmassenstrom mszusol am Ausgang des
zweiten Additionsgliedes 155 dem nach Gleichung (4) berechneten
Wert für den zufließenden Massenstrom mszu.
-
Wenn
das Stellglied 20 jetzt diesen Sollmassenstrom mszusol einstellt, stellt sich auch die gewünschte
Füllungsdynamik gemäß dem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf ein. Diese vorgegebene Füllungsdynamik
kann wiederum von anderen Funktionen der Motorsteuerung, beispielsweise
zur Prädiktion von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 genutzt werden. Mit der gleichen Dynamik
des Sollmassenstroms mszusol baut sich auch
der Saugrohrdruck im Saugrohr 5 auf.
-
Gemäß dem
beschriebenen Beispiel baut sich die Istfüllung bei einem
Sprung der Sollfüllung gemäß dem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf beispielsweise des Proportional-Zeitgliedes erster
Ordnung auf.
-
Durch
das Ersetzen der zeitlichen Änderung des Saugrohrdruckes
als Differenzenquotient aus der Differenz zwischen dem Sollsaugrohrdruck
pssol und dem aktuellen Saugrohrdruck ps pro vorgegebene Zeitkonstante
T1 des Proportional-Zeitgliedes beispielsweise erster Ordnung verhält
sich im vorliegenden Fall der Regelfehler, also die Abweichung zwischen
dem Sollsaugrohrdruck pssol und dem aktuellen Saugrohrdruck ps in
Form der Differenz pssol – ps wie das für den
vorgegebenen zeitlichen Verlauf gewählte Verzögerungsglied
in Form des Proportional-Zeitgliedes erster Ordnung. Somit ergibt
sich die gewünschte Dynamik gemäß dem
vorgegebenen zeitlichen Verlauf auch für die Differenz
zwischen der Istfüllung und der Sollfüllung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005007057
A1 [0002]
- - DE 19753969 A1 [0030, 0030, 0036, 0036, 0037, 0037]
- - DE 19756919 A1 [0030, 0030]