DE102014201947B3

DE102014201947B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladeluftmassenstroms

Info

Publication number: DE102014201947B3
Application number: DE201410201947
Authority: DE
Inventors: Simon Petrovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: US9989029B2; CN104819061B; US20150219052A1; CN104819061A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladeluftmassenstroms durch eine Ansaugleitung eines mit einer Motorsteuerung ausgestatteten Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader, wobei einem in der Motorsteuerung gespeicherten Kennfeld (2), das einen zu einem gemessenen Verdichterdruckverhältnis und einer gemessenen Turboladerdrehzahl (Nt) gehörenden Ladeluftmassenstrom angibt, ein Open-Loop-Ladeluftmassenstrom (ΦOL) entnommen wird. Gemäß der Erfindung wird aus dem gemessenen Verdichterdruckverhältnis und einem eingegebenen Ladeluftmassenstrom eine zugehörige Turboladerdrehzahl (Ñt) modelliert. Es wird ein Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom (ΦCL) als Summe des Open-Loop-Ladeluftmassenstroms (ΦOL) und eines Offsetwerts berechnet, der eine skalierte Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl (Nt) und der modellierten Turboladerdrehzahl (Ñt) ist. Die Berechnung des Closed-Loop-Ladeluftmassenstroms (ΦCL) wird wiederholt durchgeführt, wobei jeweils der zuvor erhaltene Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom (ΦCL) in die Modellierung der Turboladerdrehzahl (Ñt) eingeht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladeluftmassenstroms eines Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche und wie aus der DE 10 2007 030 233 A1 bekannt.
Der Begriff Verbrennungsmotor umfasst hier sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren, sowohl für fossile als auch alternative Treibstoffe, und auch Hybrid-Verbrennungsmotoren wie z. B. solche, die in unterschiedlichen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors unterschiedliche Brennverfahren einsetzen oder die mit alternativen Antrieben wie z. B. Brennstoffzellen- oder Elektroantrieben kombiniert sind.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Dazu wird in der Regel ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der Turbine ein heißer Abgasmassenstrom zugeführt wird, der sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasmassenstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder des Verbrennungsmotors erreicht wird. Dabei steigt der Druck des Ladeluftmassenstroms von einem niedrigeren Druck stromaufwärts des Verdichters auf einen höheren Druck stromabwärts der Verdichters.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung eines Verbrennungsmotors zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Zur Steuerung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors ist die Kenntnis der Größe des Ladeluftmassenstroms erforderlich, zum einen zur Bemessung der der Ladeluft zuzuführenden Kraftstoffmenge, zum anderen zur Steuerung einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgasrückführung.
Der Ladeluftmassenstrom wird konventionell mittels eines Luftmassensensors ermittelt. Als Luftmassensensor wird z. B. ein in der Ansaugleitung angeordneter beheizbarer Widerstandsdraht verwendet. Die Temperatur des Widerstandsdrahtes ändert sich durch die vorbeiströmende Ladeluft. Die resultierende Widerstandsänderung des Drahts wird zur Bestimmung des Ladeluftmassenstroms genutzt.
Der so bestimmte Ladeluftmassenstrom kann jedoch von dem tatsächlich zugeführten Ladeluftmassenstrom stark abweichen. Ein Grund hierfür ist, dass der Sensor mit zunehmender Betriebsdauer verschmutzt, wobei sich auf dem Sensor Ablagerungen bilden. Diese Verschmutzungen, die besonders beim Fahren in der Stadt auftreten, haben maßgeblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit eines Luftmassensensors mit Widerstandsdraht.
Um einen genaueren und stabileren Wert für den Ladeluftmassenstrom zu erhalten, wird in der o.g. DE 10 2007 030 233 A1 vorgeschlagen, den Ladeluftmassenstrom aus einem in der Motorsteuerung gespeicherten Kennfeld auszulesen, das den zu einem gemessenen Verdichterdruckverhältnis und einer gemessenen Turboladerdrehzahl gehörenden Ladeluftmassenstrom angibt. Das heißt, der Ladeluftmassenstrom wird rein gesteuert, d.h. in einem offenen Regelkreis, aus dem Verdichterdruckverhältnis und der Turboladerdrehzahl bestimmt und wird daher hierin als Open-Loop-Ladeluftmassenstrom bezeichnet.
Sensoren zur Erfassung der Turbinendrehzahl sind verfügbar und werden besonders in größeren Kraftfahrzeugen schon serienmäßig genutzt, hauptsächlich zum Schutz vor zu hohen Drehzahlen. Das Verdichterdruckverhältnis ist das Druckverhältnis über den Verdichter des Abgasturboladers und kann aus Druckmesswerten vor und hinter dem Verdichter des Abgasturboladers ermittelt werden.
Das Kennfeld ist in der Motorsteuerung in der Regel als eine 2D-Lookup-Tabelle abgelegt, die auf einem Prüfstand erstellt worden ist, auf dem unter Praxisbedingungen alle Werte des Verdichterdruckverhältnisses und der Turboladerdrehzahl durchlaufen worden sind.
Mit den immer strenger werdenden gesetzlichen Emissionsgrenzen wird es immer wichtiger, den Ladeluftmassenstrom möglichst genau zu kennen. Besonders im Teillastbetrieb von Verbrennungsmotoren, in dem die Standard-Emissionstest durchgeführt werden, lassen sich die Emissionsgrenzen nur mit einer exakt geregelten Abgasrückführung einhalten.
Die Methode, den Ladeluftmassenstrom einfach aus einem Kennfeld über dem Verdichterdruckverhältnis und der Turboladerdrehzahl auszulesen, leidet unter anderem daran, dass der so bestimmte Ladeluftmassenstrom sehr empfindlich von der Turboladerdrehzahl abhängt, so dass deren Messfehler überproportional in das Ergebnis einfließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den tatsächlichen Wert des Ladeluftmassenstroms eines Verbrennungsmotors während des Betriebs eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs noch genauer bestimmen zu können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird aus dem gemessenen Verdichterdruckverhältnis und einem eingegebenen Ladeluftmassenstrom eine zugehörige Turboladerdrehzahl modelliert. Es wird ein Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom als Summe des Open-Loop-Ladeluftmassenstroms und eines Offsetwerts berechnet, wobei der Offsetwert eine skalierte Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl und der modellierten Turboladerdrehzahl ist. Die Berechnung des Closed-Loop-Ladeluftmassenstroms wird wiederholt durchgeführt, wobei jeweils der zuvor erhaltene Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom in die Modellierung der Turboladerdrehzahl eingeht. Somit wird der Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises bestimmt.
D.h., die Erfindung beinhaltet die Verwendung eines so genannten Beobachters, welcher in der Regelungstechnik ein System ist, das aus bekannten Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen eines beobachteten Referenzsystems nicht messbare Größen rekonstruiert. Dazu bildet der Beobachter das beobachtete Referenzsystem als Modell nach und beinhaltet einen Regler, der die messbaren Zustandsgrößen nachführt. In diesem Sinne ist ein Beobachter ein referenzgeregelter Synthetisierer.
Bei der Erfindung wird die Turboladerdrehzahl zweckmäßig mit einem Drehzahlsensor gemessen. Das Verdichterdruckverhältnis ist das Druckverhältnis über den Verdichter des Abgasturboladers und wird zweckmäßig aus Druckmesswerten vor und hinter dem Verdichter des Abgasturboladers ermittelt. Das Kennfeld wird zweckmäßigerweise durch eine 2D-Lookup-Tabelle repräsentiert, die vorher auf einem Prüfstand erstellt wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die modellierte Turboladerdrehzahl anhand eines Modells für die Abhängigkeit der Turboladerdrehzahl von Verdichterdruckverhältnis und Ladeluftmassenstrom analytisch berechnet, vorzugsweise unter Verwendung des Motorsteuergeräts.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Offsetwert die Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl und der modellierten Turboladerdrehzahl welche mit einem Skalierungsfaktor multipliziert wird, wobei der Skalierungsfaktor konstant, ablaufgesteuert oder adaptiv sein kann. Zweckmäßigerweise wird die skalierte Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl und der modellierten Turboladerdrehzahl mit einem oberen und einem unteren Grenzwert beschnitten, bevor sie als der Offsetwert verwendet wird.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Verfahrens zur Bestimmung eines Ladeluftmassenstroms als ein Blockdiagramm;
2 die Struktur des bei dem Verfahren verwendeten Beobachters; und
3 ein typisches Verdichterkennfeld mit dem Ladeluftmassenstrom auf der Abszisse und dem Verdichterdruckverhältnis auf der Ordinate.
In 1 werden ein gemessenes Verdichterdruckverhältnis PRC und eine gemessene Turboladerdrehzahl N_t eines Abgasturboladers eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors in eine 2D-Lookup-Tabelle 2 eingegeben, welche vorher auf einem Prüfstand erstellt worden ist, so dass die 2D-Lookup-Tabelle 2 die zu jedem Verdichterdruckverhältnis PRC und jeder Turboladerdrehzahl N_t gehörenden Ladeluftmassenströme angibt. Dementsprechend liefert die 2D-Lookup-Tabelle 2 einen Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL als eine Funktion von PRC und N_t.
Ein in einem Motorsteuergerät implementierter Modellierer 4 berechnet analytisch anhand eines geeignet gewählten Modells, welche modellierte Turboladerdrehzahl Ñ_t sich für das Verdichterdruckverhältnis PRC und einen eingegebenen Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_CL ergeben würde, wobei Φ_CL auf einen beliebigen Anfangswert gesetzt werden kann.
Die gemessene Turboladerdrehzahl N_t und die modellierte Turboladerdrehzahl Ñ_t werden in einem Subtrahierer 6 voneinander subtrahiert, und die erhaltene Differenz N_t – Ñ_t wird in einem Multiplizierer 8 mit einem Skalierungsfaktor (K) multipliziert, welcher eine geeignet gewählte Konstante oder ein ablaufgesteuert oder adaptiv eingestellter Wert sein kann. Ein Beschneider 10 begrenzt die skalierte Differenz K(N_t – Ñ_t) auf einen oberen und einen unteren Grenzwert, die als geeignete Sättigungswerte gewählt werden.
Ein Addierer 12 addiert den Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL und die K(N_t – Ñ_t) als einen Offsetwert, was einen neuen Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_CL ergibt, der einerseits als der mit dem Verfahren bestimmte Ladeluftmassenstrom ausgegeben wird und anderseits erneut in den Modellierer 4 eingegeben wird. Die Berechnung des Closed-Loop-Ladeluftmassenstroms Φ_CL wird wiederholt durchgeführt, wobei jeweils der zuvor erhaltene Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_CL in den Modellierer 4 eingegeben wird, indem der vom Addierer 12 ausgegebene Ladeluftmassenstrom Φ_CL in dem z^–1-Block 14 um einen Schritt verzögert wird. Die in das Modell eingegebenen Messgrößen können weitere messbare Größen umfassen, z. B. die Temperatur am Eingang des Verdichters.
Die in 2 gezeigte Beobachterstruktur umfasst drei in einer Schleife durchgeführte Schritte, nämlich einen Schritt 16, den Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL zu modellieren, einen Schritt 18. die Turboladerdrehzahl N_t zu messen, und einen Schritt 20, mit der Differenz K(N_t – Ñ_t), die ein Fehlerterm für die Turboladerdrehzahl ist, den Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_CL zu synthetisieren. Mit zunehmender Zahl von Durchläufen der Schleife ergibt sich ein immer stabiler werdender Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL, der nun ein besserer Wert für den tatsächlichen Ladeluftmassenstrom ist als der Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL.
3 zeigt ein typisches Verdichterkennfeld zur Veranschaulichung des Ladeluftmassenstrom-Offsets aufgrund eines Schätzungsfehlers der Turboladerdrehzahl. Wie anhand von 3 veranschaulicht, wird mittels der 2D-Lookup-Tabelle 2 ein Open-Loop-Arbeitspunkt 22 eingestellt, der durch den in 2 veranschaulichten Beobachter aktualisiert wird, wobei drei Fälle zu unterscheiden sind: falls K(N_t – Ñ_t) > 0, wird der Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL vergrößert; falls K(N_t – Ñ_t) = 0, wird nicht aktualisiert; und falls K(N_t – Ñ_t) < 0, wird der Open-Loop-Ladeluftmassenstrom Φ_OL verkleinert, wie in 3 veranschaulicht. Das Verdichterdruckverhältnis PRC ist während der Aktualisierung im Allgemeinen variabel.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Ladeluftmassenstroms durch eine Ansaugleitung eines mit einer Motorsteuerung ausgestatteten Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader, wobei einem in der Motorsteuerung gespeicherten Kennfeld (2), das einen zu einem gemessenen Verdichterdruckverhältnis (PRC) und einer gemessenen Turboladerdrehzahl (N_t) gehörenden Ladeluftmassenstrom angibt, ein Open-Loop-Ladeluftmassenstrom (Φ_OL) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – aus dem gemessenen Verdichterdruckverhältnis (PRC) und einem eingegebenen Ladeluftmassenstrom eine zugehörige Turboladerdrehzahl (Ñ_t) modelliert wird; – ein Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom (Φ_CL) als Summe des Open-Loop-Ladeluftmassenstroms (Φ_OL) und eines Offsetwerts berechnet wird, der eine skalierte Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl (N_t) und der modellierten Turboladerdrehzahl (Ñ_t) ist; und – die Berechnung des Closed-Loop-Ladeluftmassenstroms (Φ_CL) wiederholt durchgeführt wird, wobei jeweils der zuvor erhaltene Closed-Loop-Ladeluftmassenstrom (Φ_CL) in die Modellierung der Turboladerdrehzahl (Ñ_t) eingeht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turboladerdrehzahl (N_t) mit einem Drehzahlsensor gemessen wird und dass das Verdichterdruckverhältnis (PRC) das Druckverhältnis über den Verdichter des Abgasturboladers ist und aus Druckmesswerten vor und hinter dem Verdichter des Abgasturboladers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (2) durch eine 2D-Lookup-Tabelle repräsentiert wird, die vorher auf einem Prüfstand erstellt wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modellierte Turboladerdrehzahl (Ñ_t) anhand eines Modells (4) für die Abhängigkeit der Turboladerdrehzahl von Verdichterdruckverhältnis und Ladeluftmassenstrom analytisch berechnet wird, insbesondere unter Verwendung des Motorsteuergeräts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetwert die Differenz zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl (N_t) und der modellierten Turboladerdrehzahl (Ñ_t) multipliziert mit einem Skalierungsfaktor (K) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor (K) konstant, ablaufgesteuert oder adaptiv ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dasss die skalierte Differenz (K(N_t – Ñ_t)) zwischen der gemessenen Turboladerdrehzahl (N_t) und der modellierten Turboladerdrehzahl (Ñ_t) mit einem oberen und einem unteren Grenzwert beschnitten (10) wird, bevor sie als der Offsetwert verwendet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung des Ladeluftmassenstroms durch eine Ansaugleitung eines mit einer Motorsteuerung ausgestatteten Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.