DE102016225739B3

DE102016225739B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Luftmassenstromes in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102016225739B3
Application number: DE102016225739.0A
Authority: DE
Inventors: David Wieditz; Daniel Kuhn; Lars Hagen; Horst Mueller; Moritz Hoess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2036-12-22

Abstract

Verfahren (30) zum Bestimmen eines Luftmassenstromes in einem Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – durch einen Luftmassenmesser (31) in dem Verbrennungsmotor wird ein Messwert des Luftmassenstromes gemessen, – anhand mindestens eines auf den Verbrennungsmotor bezogenen Rechenmodells werden Modellwerte des Luftmassenstromes berechnet und – aus dem Messwert und den Modellwerten wird unter einer vorgegebenen Gewichtung (34, 35) der Luftmassenstrom ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Luftmassenstromes in einem Verbrennungsmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
Das Motormanagement moderner Diesel- und Ottomotoren in Kraftfahrzeugen erfordert die Bestimmung der pro Zylinderfüllung zur Verfügung stehenden molaren Luft- oder Sauerstoffmasse, um die maximal einzuspritzende bzw. zuzumischende Kraftstoffmenge zu ermitteln. Dieser Massenstrom ist in der Regel nicht nur von der Motordrehzahl abhängig, sondern auch von der Motortemperatur, der Lufttemperatur und vom Umgebungs-Luftdruck. Ferner wird die angesaugte Luftmenge von einem etwaigen Abgasturbolader beeinflusst, dessen Fördermenge wiederum nicht nur von der Motordrehzahl, sondern auch von der Belastung des Motors abhängt. Auch eine geregelte Abgasreinigung (Katalysator) erfordert in der Regel die Bestimmung des Luftmassenstromes, sodass nach dem Stand der Technik in nahezu allen Kraftfahrzeugen mit Schadstoffreduktion ein Luftmassenmesser (LMM) zum Einsatz kommt.
DE 10 2014 226181 A1 betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit eines Pitot-Massenstromsensors zum Messen eines Massenstroms eines anströmenden Gases in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, das folgende Schritt umfasst: das Messen eines dynamischen Drucks, der einem Staudruck eines Pitotrohres des Pitot-Massenstromsensors entspricht, eines absoluten Drucks und einer Temperatur des anströmenden Gases als Teil-Messgrößen, das Bestimmen eines Diagnosewerts abhängig von den Teil-Messgrößen und einem Massenstrom in den Verbrennungsmotor und das Feststellen einer Funktionsfähigkeit des Pitot-Massenstromsensors abhängig davon, ob der Diagnosewert angibt, dass eine mathematische Beziehung zwischen den Teilmessgrößen einer vorgegebenen Beziehung entspricht.
DE 10 2005 004 319 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Luftmassenstroms eines Verbrennungsmotors. Der Messfehler eines Luftmassenmessers kann gut kompensiert werden, wenn aus dem gemessenen Luftmassenstrom und einem berechneten Luftmassenstrom ein gewichteter Mittelwert berechnet und der gemessene Luftmassenstrom auf Grundlage des gewichteten Mittelwerts korrigiert wird.
DE 10 2005 018 272 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die eine möglichst genaue Ermittlung eines Wertes für die durchströmte Fläche eines in einem Gaskanal angeordneten Bauteils ermöglicht. Mindestens ein erster Wert, der für eine durchströmte Fläche des Bauteils repräsentativ ist, wird mithilfe eines ersten Modells abhängig von einem Ansteuersignal des Bauteils ermittelt. Mindestens ein zweiter Wert, der für die durchströmte Fläche des Bauteils repräsentativ ist, wird mithilfe eines zweiten Modells abhängig von mindestens einer von dem Ansteuersignal verschiedenen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt. Ein resultierender Wert für die durchströmte Fläche als Mittelwert aus dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten Wert gebildet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen eines Luftmassenstromes in einem Verbrennungsmotor, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Der vorgeschlagene Ansatz erkennt dabei, dass insbesondere ein druckbasierter Luftmengenmesser (pressure-based air flow meter, PFM) bei kleinen Massenströmen hohe Toleranzen aufweist, die sensorseitig nicht verringert werden können. Ihm liegt daher der Gedanke zugrunde, die Toleranzsituation bei kleinen Luftmassenströmen zu verbessern. Dies soll in der Art geschehen, dass ein Näherungswert des Luftmassenstromes gebildet wird, der sich aus dem eigentlichen Sensorwert und einem oder mehreren äquivalenten Modellwerten zusammensetzt.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der besseren Genauigkeit bei geringem Massenstrom. Die Basis dieser Verbesserung bilden gewichtete Mittelwerte, welche sich aus den jeweiligen Massenströmen und den zugehörenden Varianzen oder Standardabweichungen ergeben. Dies können beispielsweise 1- oder 3-Sigma-Werte sein. Die Varianzen bzw. Standardabweichungen ergeben sich aus separaten Toleranzmodellen, die aus Sensorspezifikationen oder theoretischen Überlegungen hervorgehen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass die Gewichtung derart erfolgt, dass dem Messwert kein Gewicht beigemessen wird, wenn die Toleranz einen unteren Schwellenwert unterschreitet, und umgekehrt den Modellwerten kein Gewicht beigemessen wird, wenn die Toleranz einen oberen Schwellenwert überschreitet. Im Ergebnis lässt sich auf diese Weise ein Schätzwert für den Massenstrom gewinnen, welcher in niedrigen Massenstrombereichen gleichsam einem „Mischwert” aus Sensor- und Modellwerten entspricht, unter höherer Betriebsbelastung aber den reinen Sensorwert wiedergibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 schematisch einen Verbrennungsmotor.
2 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 das erfindungsgemäße Wirkprinzip.
4 eine im Rahmen des Verfahrens anwendbare Gewichtungskennlinie.
Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert ein beispielsweise im Nutzfahrzeugbereich anwendbares Sensorkonzept für die Massenstromerfassung in einem Verbrennungsmotor (10). Ein druckbasierter Luftmengenmesser (11) misst einen dynamischen Druck Δp, einen absoluten Druck p_abs und die Temperatur T des vorbeiströmenden Gases. Der Luftmengenmesser (11) erlaubt einen motornahen Einbau und wird in der vorliegenden Ausführungsform stromabwärts des Luftfilters (12), Blowby-Ventils (14) und Ladeluftkühlers (15), jedoch stromaufwärts der Drosselklappe (16) eingebaut. In einer alternativen, nicht abgebildeten Ausführungsform ist gleichwohl ein Einbau stromabwärts der Drosselklappe (16), jedoch stromaufwärts der Einleitstelle der Abgasrückführung (17) denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Der Bypass-Ventil, Abgastemperaturmesser und Schalldämpfer umfassende Abgastrakt (18) ist in herkömmlicher Weise aufgebaut.
Die grundlegenden Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung seien nunmehr anhand von 2 erläutert. Durch den Luftmassenmesser (11) wird ein Messwert des Luftmassenstromes auf Basis des dynamischen Drucks Δp, des absoluten Drucks p_abs und der Temperatur T wird der Massenstrom wie folgt berechnet (Prozess 21):
Anhand verschiedener auf den Verbrennungsmotor (10) bezogener Rechenmodelle werden sodann dem Messwert entsprechende Modellwerte des Luftmassenstromes berechnet (Prozess 22), sodass aus dem Messwert und den Modellwerten unter einer vorgegebenen Gewichtung der Luftmassenstrom ermittelt werden kann (Prozess 23). Zur Modellierung bzw. Berechnung des Massenstroms über die Drosselklappe (16) gemäß einem im Folgenden als „Drosselklappenmodell” bezeichneten Ansatz kann beispielsweise die so genannte Drossel-Gleichung genutzt werden, welche wie die druckbasierte Luftmassenmessung auf der dem Fachmann hinlänglich geläufigen Bernoulli-Gleichung beruht:
Ein weiterer Ansatz zur Modellierung des Massenstroms zwischen Verdichter und Einleitstelle der Abgasrückführung (17) ist der rechnerische Rückschluss vom Motormassenstrom (19) anhand der jeweiligen Position des Abgasrückführungsventils und der Drosselklappen (16). Hierzu wird der Motormassenstrom (19) selbst modelliert und mit einem Faktor multipliziert, der sich als Funktion aus den besagten Ventil- und Klappenpositionen ergibt.
3 soll das erfindungsgemäße Prinzip darstellen. Der Komponententreiber des Luftmassenmessers (hier: 31) liefert den in Prozess 21 gewonnenen Messwert sowie eine Toleranz, z. B. den sogenannten 1- oder 3-Sigma-Wert. Zusätzlich wird ein erster Modellwert anhand eines Drosselklappenmodells (33) und ein zweiter Modellwert anhand eines Zylinderfüllungsmodells (32) sowie jeweils eine diesbezügliche Toleranz berechnet, die durch ein geeignetes Streuungsmaß wie die Varianz (σ²) ausgedrückt werden kann. Zunächst werden nun die beiden Modellwerte miteinander nach der Methode der gewichteten Mittelwerte kombiniert:
Dieser gemittelte Massenstrom (ṁ) weist die folgende Varianz auf:
Durch Normierung der Toleranzen erhält man eine Kennlinie zur Gewichtung (34) der beiden Modelle (32, 33). Als Eingangsgröße zur Berechnung des Gewichtes dient somit letztlich der „Toleranzquotient”, also das Verhältnis der Streuungsmaße, der gemäß beiden Modellen (32, 33) berechneten Massenströme.
Wie 4 verdeutlicht, kann durch Einführung zusätzlicher Kennlinienbereiche zusätzlich das harte „Umschalten” auf eines der beiden Modelle (32, 33) angepasst werden. Die Kennlinie (40) kann somit in drei Bereiche (41, 42, 43) eingeteilt werden. Der erste, größte Bereich (41) zeichnet sich durch minimale Toleranz oder Varianz der betreffenden Variablen aus. In einem zweiten Bereich (42) wird nur einer der beiden zu gewichtenden Werte berücksichtigt. In einem an den zweiten Bereich (42) angrenzenden Übergangsbereich (43) wird der Verlauf der Kennlinie (40) durch lineare Interpolation zwischen einem geeigneten Punkt im ersten Bereich (41) und einem geeigneten Punkt im zweiten Bereich (42) bestimmt.
Unter der beschriebenen Gewichtung (34 – 3) wird aus dem ersten Modellwert und dem zweiten Modellwert ein dritter Modellwert ermittelt. Eine entsprechende Gewichtung (35) lässt sich vornehmen, um den zu bestimmenden Luftmassenstrom (ṁ) schließlich durch Kombination des Messwertes mit dem dritten Modellwert zu ermitteln.
Dieses Verfahren (20, 30) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Claims

Verfahren (20, 30) zum Bestimmen eines Luftmassenstromes in einem Verbrennungsmotor (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – durch einen Luftmassenmesser (11, 31) in dem Verbrennungsmotor (10) wird ein Messwert des Luftmassenstromes (ṁ) gemessen (21), – anhand mindestens eines auf den Verbrennungsmotor (10) bezogenen Rechenmodells werden Modellwerte des Luftmassenstromes (ṁ) berechnet (22), – ein erster Modellwert wird anhand eines Drosselklappenmodells (33) des Verbrennungsmotors (10) berechnet, – ein zweiter Modellwert wird anhand eines Zylinderfüllungsmodells (32) des Verbrennungsmotors (10) berechnet, – ein dritter Modellwert wird unter der vorgegebenen Gewichtung (34, 35) aus dem ersten Modellwert und dem zweiten Modellwert ermittelt und – der Luftmassenstrom (ṁ) wird aus dem Messwert und dem dritten Modellwert ermittelt.
Verfahren (20, 30) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Gewichtung (34, 35) eines ersten Wertes und eines zweiten Wertes erfolgt gemäß einem jeweiligen Streuungsmaß des ersten Wertes und des zweiten Wertes.
Verfahren (20, 30) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Gewichtung (34, 35) des ersten Wertes bezogen auf den zweiten Wert erfolgt gemäß einem Verhältnis des Streuungsmaßes des zweiten Wertes zu dem Streuungsmaß des ersten Wertes.
Verfahren (20, 30) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Gewichtung (34, 35) erfolgt derart, dass dem ersten Wert ein Gewicht von 0 beigemessen wird, wenn das Verhältnis einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren (20, 30) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: – das Streuungsmaß ist eine Varianz (σ²), – das Streuungsmaß ist eine Standardabweichung, – das Streuungsmaß ist eine Toleranz oder – das Streuungsmaß ist ein Vielfaches einer Standardabweichung.
Verfahren (20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Messen (21) erfolgt druckbasiert.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.
Vorrichtung (10, 11), die eingerichtet ist, das Verfahren (20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.