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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet einer Modellierung eines Verhaltens einer Drossel in einem Gasführungssystem, insbesondere in einem Luftzuführungssystem und/oder einem Gasabführungssystem eines Verbrennungsmotors.
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Technischer Hintergrund
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Verbrennungsmotoren weisen eine Anzahl von Stellgebern auf, die zum Betrieb des Verbrennungsmotors basierend auf Zustandsgrößen angesteuert werden. Diese Zustandsgrößen werden entweder durch Sensoren erfasst oder aus anderen gemessenen Größen z. B. mithilfe von physikalischen Modellen modelliert.
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Für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ist die Kenntnis und die Einstellbarkeit von Gasströmen, wie z. B. eines Luftmassenstroms in einem Luftzuführungssystem und eines Abgasmassenstroms in einem Abgasabführungssystem, maßgeblich. Zur Steuerung von Gasströmen in Verbrennungsmotoren werden die durchströmten Querschnitte im Luftzuführungs- und Abgasabführungssystem häufig mit Hilfe von Drosseln variiert, die in Form einer verstellbaren Drosselklappe oder Stellventilen zum Einsatz kommen. Beispielsweise wird mit Hilfe eines Drosselklappenstellgebers im Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors der Massenstrom von dem Verbrennungsmotor zugeführter Frischluft gezielt eingestellt, um den Verbrennungsmotor zu steuern.
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Zur Modellierung eines Verhaltens von Gasströme im Verbrennungsmotor steuernden Stellgebern, wie beispielsweise der Drosselklappe, wird ein mathematisches Drosselmodell verwendet, mit dem aus einer vorgegebenen Stellung der Drossel, einem vorgegebenen Druckunterschied über die Drossel und einem eingangsseitigen Druck an der Drossel sowie weiterer Parameter der über die Drossel strömende Massenstrom berechnet werden kann. Dies kann beispielsweise für eine modellbasierte Füllungsregelung bei einer Dieselmotorsteuerung verwendet werden, indem mit Hilfe des Drosselmodells in einem Vorsteuerpfad aus Sollmassenströmen über die Drosselklappe und einem Abgasrückführungsventil entsprechende Sollöffnungsquerschnitte für die Drosselklappe sowie das Abgasrückführungsventil berechnet werden.
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Durch den Betrieb des Verbrennungsmotors treten durch den Betrieb von Einlass- und Auslassventilen im Luftzuführungs- bzw. Abgasabführungssystem Ansaug- bzw. Ausstoßpulsationen im jeweiligen Gasmassenstrom auf. Aus Gründen einer beschränkten zur Verfügung stehenden Rechenleistung eines Motorsteuergeräts zur Steuerung des Verbrennungsmotors wird das Drosselmodell im Allgemeinen nur auf gemittelte physikalische Größen angewendet. So verwendet auch die modellbasierte Füllungsregelung für die Dieselmotorsteuerung bei der Berechnung der Öffnungsquerschnitte für die Drosselklappe und des Abgasrückführungsventils gemittelte Druckwerte für den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Druck. Dadurch werden die für den Betrieb von Verbrennungsmotoren charakteristischen Ausstoß- und Ansaugpulsationen in den Druckwerten nicht berücksichtigt. Das Drosselmodell ist jedoch nichtlinear, und so kommt es bei der Verwendung von gemittelten Drucksignalen anstelle der tatsächlichen pulsierenden Drucksignale zu einem Fehler.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bestimmen eines mittleren Massenstroms durch eine Drossel bei einem pulsierenden Druck gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln eines fehlerkorrigierten Gasmassenstroms durch eine Drossel in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor mithilfe eines Drosselmodells vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Ermitteln eines Gasmassenstroms abhängig von gemittelten Druckwerten eines eingangsseitigen und ausgangsseitigen Drucks an der Drossel mithilfe des Drosselmodells;
- – Ermitteln einer Korrekturgröße abhängig von einem Druckverhältnis zwischen dem ausgangsseitigen Druck und dem eingangsseitigen Druck; und
- – Beaufschlagen des ermittelten Gasmassenstroms mit der Korrekturgröße, um den korrigierten Gasmassenstrom zu erhalten.
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Aufgrund der Nichtlinearität des Drosselmodells kommt es bei der rechnerischen Bestimmung eines Gasmassenstroms durch eine Drossel unter Verwendung von gemittelten Drucksignalen zu einem Fehler. Das obige Verfahren sieht vor, diesen Fehler durch Beaufschlagung mit einer Korrekturgröße zu korrigieren. Im Detail wird vorgeschlagen, zur Berechnung des Gasmassenstroms den Massenstrom zunächst abhängig von gemittelten Druckwerten zu bestimmen und den so erhaltenen fehlerbehafteten Wert des Gasmassenstroms mit Hilfe einer Korrekturgröße zu korrigieren.
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Auf diese Weise kann eine Abweichung, die durch die Verwendung von gemittelten Druckwerten in dem nichtlinearen Drosselmodell entstehen kann, ausgeglichen werden. Das obige Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund von Pulsationen in den eingangs- und ausgangsseitigen Drücken an einer Drossel mit einer hohen Amplitude durch die Verwendung von gemittelten Druckwerten bei der Berechnung des Drosselmodells große Fehler entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Druckverhältnis des ausgangsseitigen Drucks und des eingangsseitigen Drucks ebenfalls eine Pulsation mit hoher Amplitude aufweist. Der Fehler resultiert insbesondere daraus, dass bei einem stark pulsierenden Druckverhältnis die Berechnung des Drosselmodells mit den gemittelten Druckwerten den Massenstrom durch die Drossel schlechter beschreibt, so dass ein erhöhter Fehler auftritt. Durch die Verwendung der Korrekturgröße kann dieser Fehler ausgeglichen werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Korrekturgröße abhängig von einer Pulsationsamplitude des pulsierenden Druckverhältnisses zwischen dem ausgangsseitigen Druck und dem eingangsseitigen Druck und dem gemittelten Druckverhältnis ermittelt wird.
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Weiterhin kann die Korrekturgröße weiterhin abhängig von einer oder mehreren der folgenden Größen ermittelt werden:
- – einer Pulsationsamplitude des eingangsseitigen Drucks;
- – des eingangsseitigen Drucks;
- – des ausgangsseitigen Drucks;
- – des Druckverhältnisses zwischen dem ausgangsseitigen Druck und dem ein gangsseitigen Druck;
- – einer Pulsationsfrequenz;
- – einer Druckamplitude des Differenzdrucks über der Drossel;
- – der eingangsseitigen Temperatur; und
- – einer ausgangsseitigen Temperatur.
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Insbesondere kann die Korrekturgröße aus einem vorgegebenen Kennfeld ermittelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der korrigierte Gasmassenstrom durch Multiplikation oder Addition der Korrekturgröße ermittelt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann als der fehlerkorrigierte Gasmassenstrom ein Luftmassenstrom durch eine Drosselklappe in einem Luftzuführungssystem eines Verbrennungsmotors oder ein Abgasmassenstroms von durch ein Abgasrückführungsventil aus einem Abgasabführungssystem in das Luftzuführungssystem rückgeführten Verbrennungsabgases ermittelt werden.
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Weiterhin kann der Gasmassenstrom abhängig von einem effektiven Öffnungsquerschnitt der Drossel, einer vorgegebenen Gaskonstanten und einer eingangsseitigen Temperatur des Gasmassenstroms an der Drossel ermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Motorsteuergerät, zum Ermitteln eines fehlerkorrigierten Gasmassenstroms durch eine Drossel in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor mithilfe eines Drosselmodells vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – einen Gasmassenstrom abhängig von gemittelten Druckwerten eines eingangsseitigen und ausgangsseitigen Drucks an der Drossel mithilfe des Drosselmodells zu ermitteln;
- – eine Korrekturgröße abhängig von einem Druckverhältnis zwischen dem ausgangsseitigen Druck und dem eingangsseitigen Druck zu ermitteln;
- – den ermittelten Gasmassenstrom mit der Korrekturgröße zu beaufschlagen, um den korrigierten Gasmassenstrom zu erhalten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer in einem Luftzuführungssystem angeordneten Drosselklappe und einer Abgasrückführung mit einem Abgasrückführungsventil;
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2 eine Darstellung des Verlaufs des in einem Motorsteuergerät implementierten Drosselmodells, das einen Durchfluss über einem Druckverhältnis zwischen einem ausgangsseitigen und eingangsseitigen Druck an der Drossel darstellt;
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3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Funktion zum Ermitteln eines korrigierten Massenstroms; und
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4 ein Kennfeld zur Ermittlung der Korrekturgröße abhängig von der Pulsationsamplitude des pulsierenden Druckverhältnisses sowie dem gemittelten Druckverhältnis.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor kann als Otto- oder Dieselmotor ausgebildet sein und weist eine Anzahl (im vorliegenden Ausführungsbeispiel 4) von Zylindern 3 auf. Die Zylinder 3 sind mit (nicht dargestellten) Einlass- und Auslassventilen versehen, durch die Luft in einen Brennraum der Zylinder 3 angesaugt werden kann bzw. über die Verbrennungsabgase ausgestoßen werden können. Die Frischluft wird dem Verbrennungsmotor 2 über das Luftzuführungssystem 4 zugeführt und die Verbrennungsabgase über das Abgassystem 5 abgeführt. Der Verbrennungsmotor 2 wird in einem an sich bekannten Viertaktbetrieb betrieben, so dass das Ansaugen von Luft und das Ausstoßen von Verbrennungsabgasen nur phasenweise erfolgt.
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In dem Luftzuführungssystem 4 ist eine Drosselklappe 6 angeordnet, die über einen Drosselklappenstellgeber 7 gestellt werden kann. Die Drosselklappe 6 dient dazu, einen Luftmassenstrom an dem Verbrennungsmotor 2 zuzuführender Frischluft einzustellen.
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Das Abgasabführungssystem 5 ist über eine Abgasrückführungsleitung 8 mit einem Saugrohrabschnitt 41 zwischen der Drosselklappe 6 und dem Verbrennungsmotor 2 verbunden. In der Abgasrückführungsleitung 8 ist ein Abgasrückführungsventil 81 angeordnet, um einen Massenstrom an rückgeführtem Abgas einzustellen.
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Der Verbrennungsmotor 2 wird mithilfe eines Motorsteuergeräts 10 abhängig von Zustandsgrößen des Motorsystems 1 betrieben. Die Zustandsgrößen können als gemessene Größen oder aus gemessenen Größen modellierte Größen bereitgestellt werden. Dazu stellt das Motorsteuergerät 10 Stellgeber, wie z. B. den Drosselklappenstellgeber 7, das Abgasrückführungsventil 81 und dergleichen.
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Zum Betrieb des Verbrennungsmotors 2 müssen die Drosselklappe 6 und das Abgasrückführungsventil 81 zum Bereitstellen eines vorgegebenen Massenstroms gestellt werden. Dies erfordert im Motorsteuergerät 10 eine Berechnung des von der Drosselklappe 6 bzw. dem Abgasrückführungsventil 81 gestellten Luft- bzw. Abgasmassenstroms basierend auf Parametern und Zustandsgrößen des Luftzuführungs- und Abgasabführungssystems 4, 5.
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Im Folgenden werden die Drosselklappe
6 und das Abgasrückführungsventil
81 sowie weitere Gasmassenströme steuernde Einrichtungen als Drosseln bezeichnet. Mit Hilfe eines Drosselmodells kann der durch eine Drossel strömende Gasmassenstrom ṁ abhängig von einem Druckverhältnis zwischen einem an der Drossel anliegenden ausgangsseitigen Druck p
ausgang und eingangsseitigen Druck p
eingang, von einer eingangsseitigen Temperatur T
eingang, von dem eingangsseitigen Druck p
eingang, einer Stellung der Drossel, die einen Öffnungsquerschnitt A
eff bestimmt, gemäß folgender Gleichung bestimmt werden:
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Der Wurzelterm der obigen Gleichung entspricht einer Durchflussfunktion
ψ(π), wobei π dem Druckverhältnis zwischen dem ausgangsseitigen Druck p
ausgang und dem eingangsseitigen Druck p
eingang und
π dem gemittelten Druckverhältnis zwischen dem gemittelten ausgangsseitigen Druck
und dem gemittelten eingangsseitigen Druck
entspricht. R
S entspricht einer spezifischen Gaskonstante, und κ dem Isotropen- oder Adiabatenexponent, der gasabhängig ist und für automotive Anwendungen mit 1,4 vorgegeben werden kann.
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Die Durchflussfunktion ψ(π) ist in 2 als Kurve K1 dargestellt. Die Durchflussfunktion gibt einen Durchfluss ψ an und erreicht in einem Ausführungsbeispiel bei einem kritischen Druckverhältnis πkrit ≈ 0,53 seinen Maximalwert ψmax ≈ 0,48. Bei geringeren Druckverhältnissen π sinkt der Durchfluss wieder unter den Maximalwert ψmax. Kleine Werte für das Druckverhältnis π entstehen, wenn der eingangsseitige Druck kontinuierlich gegenüber dem ausgangsseitigen Druck ansteigt. Das durch das obige Drosselmodell angegebene Absinken des Durchflusses für Druckverhältnisse π < πkrit ist nicht physikalisch, und das üblicherweise in Motorsteuergeräten verwendete Drosselmodell sieht vor, dass der Durchfluss ψmax ≈ 0,48 bei Druckverhältnissen π kleiner als das kritische Druckverhältnis πkrit ≈ 0,53 seinen Maximalwert beibehält. Es ergibt sich ein Verlauf der im Motorsteuergerät 10 verwendeten Durchflussfunktion ψ'(π), wie sie in Kurve K2 gezeigt ist.
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Beim Betrieb des Verbrennungsmotors
2 entstehen durch das Ventilspiel der Einlass- und Auslassventile Pulsationen im Luftzuführungssystem
4 und im Abgasabführungssystem
5. Die Pulsationen führen zu pulsierenden Druckwerten eingangsseitig und ausgangsseitig der Drosselklappe
6 bzw. des Abgasrückführungsventils
81. Aufgrund begrenzter Rechenkapazität im Motorsteuergerät
10 werden die Berechnungen der Drosselmodelle basierend auf gemittelten Druckwerten
durchgeführt. Insbesondere werden die Druckwerte über eine Pulsationsperiode gemittelt, die sich aus einer Drehzahl n [U/min] des Verbrennungsmotors
2 als 720°/(60·n·Anzahl der Zylinder) ergibt.
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Aufgrund der Nichtlinearität der Durchflussfunktion ψ(π) kann es bei der Berechnung des Durchflusses mit gemittelten Druckwerten
,
π bezüglich einer Berechnung eines Durchflusses ψ bei nicht gemittelten Druckwerten p
eingang, p
ausgang, π zu einem Fehler des berechneten Durchflusses ψ bzw. Gasmassenstroms kommen. Das Entstehen des Fehlers wird anhand eines Beispiels mit einem pulsierenden Druckverhältnis um ein mittleres Druckverhältnis
π von 0,8 und mit einer Pulsationsamplitude des Druckverhältnisses π von 0,15 in
2 dargestellt. Man erkennt eine Schwankung des modellierten Durchflusses ψ(π) zwischen 0,2 und 0,45. Eine Mittelung dieses Durchflusses ψ(π), der sich aus dem nicht gemittelten Verlauf des Druckverhältnisses π ergibt, ist als
ψ(π) dargestellt. Wird das gemittelte Druckverhältnis
π auf dieses Drosselmodell angewendet, so ergibt sich
ψ(π), dessen Verlauf gestrichelt dargestellt ist. Man erkennt eine Abweichung zwischen dem aus dem pulsierenden Druckverhältnis bestimmten gemittelten Durchfluss
ψ(π) und dem aus dem gemittelten Druckverhältnis bestimmten Durchfluss
ψ(π). Man erkennt, dass sich bei größeren Amplituden des pulsierenden Druckverhältnisses
π ~ der Fehler vergrößert.
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In
3 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Funktion für die Korrektur eines aus einem Drosselmodell basierend auf gemittelten Druckwerten bestimmten Gasmassenstroms dargestellt.
3 zeigt eine Ermittlungsfunktion für einen Gasmassenstrom durch eine Drossel, wie beispielsweise die Drosselklappe
6 oder das Abgasrückführungsventil
81. Dazu werden eingangsseitige Druckwerte p
eingang und ausgangsseitige Druckwerte p
ausgang erfasst oder modelliert und einer Mittelungsfunktion
21 zugeführt. Die Mittelungsfunktion
21 mittelt die entsprechenden Druckwerte p
eingang, p
ausgang über eine Pulsationsperiode und führt die gemittelten Druckwerte
sowie einen von der Stellung der Drossel abhängigen effektiven Öffnungsquerschnitt A
eff einer Durchflussfunktion
22 eines Drosselmodells, wie oben beschrieben, zu.
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Der so ermittelte Durchfluss ψ(π) wird einem Multiplizierglied 23 zugeführt, dessen weitere Eingangsgröße einer Korrekturgröße Gkorr entspricht. Es ergibt sich ein korrigierter Durchfluss ψ'(π).
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Die Korrekturgröße G
korr wird mit Hilfe einer vorbestimmten Kennfeldfunktion
24 abhängig von einem gemittelten Druckverhältnis
π und einer Pulsationsamplitude a
puls der Pulsationen des Druckverhältnisses
π ~ des nicht gemittelten ausgangsseitigen p
ausgang und eingangsseitigen Drucks p
eingang bestimmt. Insbesondere kann die Korrekturgröße G
korr als
ermittelt werden. Die Pulsationsamplitude a
puls wird in einer Amplitudenermittlungsfunktion
25 aus den ursprünglichen Druckwerten des eingangsseitigen Drucks und des ausgangsseitigen Drucks p
eingang, p
ausgang in an sich bekannter Weise ermittelt.
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Weiterhin kann die Korrekturgröße weiterhin abhängig von einer oder mehreren der folgenden Größen bestimmt sein: einer Pulsationsfrequenz (ergibt sich aus der Anzahl der Zylinder und der Drehzahl des Verbrennungsmotors), einer Druckamplitude des Differenzdrucks über der Drossel (die sich insgesamt aus der Istfüllung und/oder der Einspritzmenge ergibt), einer Druckamplitude des eingangsseitigen Drucks peingang, einem eingangsseitigen Druck peingang, der eingangsseitigen Temperatur Teingang oder einer ausgangsseitigen Temperatur.
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In der Massenstromberechnungsfunktion
27 wird nun aus dem ermittelten korrigierten Durchfluss
ψ'(π) abhängig von der eingangsseitigen Temperatur T
eingang, von dem eingangsseitigen Druck p
eingang, dem von der Stellung der Drossel bestimmten Öffnungsquerschnitt A
eff und der spezifischen Gaskonstante R
S, gemäß dem oben beschriebenen Drosselmodell ein korrigierter Gasmassenstrom ṁ
korr bestimmt.
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Alternativ kann die obige Drosselgleichung auch nach einer der Größen Öffnungsquerschnitt Aeff, eingangsseitigen Druck peingang oder der eingangsseitigen Temperatur Teingang umgestellt werden, so dass auch eine Korrektur bei einer entsprechenden Verwendung der Drosselgleichung zur Ermittlung einer der obigen Größen vorgenommen werden kann.
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In 4 ist beispielhaft ein Kennfeld zur Ermittlung der Korrekturgröße Gkorr basierend auf der Pulsationsamplitude apuls des pulsierenden Druckverhältnisses π sowie dem gemittelten Druckverhältnis π dargestellt. Als Ergebnis ergibt sich ein korrigierter Durchfluss ψ'(π), der entsprechend dem vorgegebenen Drosselmodell in den korrigierten Gasmassenstrom ṁkorr umgerechnet wird.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Korrekturgröße Gkorr als eine multiplikativ auf den Durchfluss beaufschlagte Korrekturgröße ermittelt. Prinzipiell ist auch eine additive Korrekturgröße denkbar, abhängig von der bereitgestellten Kennfeldfunktion 24.
an der Drossel (6, 81) mithilfe des Drosselmodells; 
entspricht. RS entspricht einer spezifischen Gaskonstante, und κ dem Isotropen- oder Adiabatenexponent, der gasabhängig ist und für automotive Anwendungen mit 1,4 vorgegeben werden kann.
an der Drossel (
