DE19739901A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren sowie einer Ein­ richtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen wie Luftfüllung, Drehzahl, Brennkraftma­ schinentemperatur und Ansauglufttemperatur. Was speziell die Ansauglufttemperatur anbelangt, so hat sie mehrere Auswir­ kungen auf das Verhalten der Brennkraftmaschine. Bei anson­ sten gleichen Umgebungsbedingungen bewirkt eine höhere An­ sauglufttemperatur u. a. eine höhere Klopfneigung, eine bes­ sere Verdampfung des Kraftstoffs, eine reduzierte Wandfilm­ bildung des Kraftstoffs an den Innenwänden des Ansaugrohrs, sowie eine Verringerung der angesaugten Luftmasse und damit der nötigen Kraftstoffmenge. Vor diesem Hintergrund verar­ beiten moderne Steuerungen für Brennkraftmaschinen die An­ sauglufttemperatur, wofür zwangsläufig ein entsprechender Sensor erforderlich ist.
Beispielhaft für den umfassenden Stand der Technik in Ver­ bindung mit der Verwendung eines Signals der Ansauglufttem­ peratur im Rahmen einer Brennkraftmaschinensteuerung sei auf die DE 44 35 419 A1 hingewiesen, die ein "Steuersystem für die Kraftstoffzumessung einer Brennkraftmaschine" betrifft und bei der der Wert der Ansauglufttemperatur u. a. zur Be­ stimmung eines Heißstartfalles herangezogen wird.
Vor allem räumliche Gründe im Umfeld der Brennkraftmaschine sind die Ursache, daß Sensoren für die Ansauglufttemperatur meist nicht in unmittelbarer Nähe der Brennkraftmaschine montiert werden, sondern z. B. im Luftfiltergehäuse, in einem Luftmassenmesser, im Drosselklappenstutzen oder in Kombina­ tion mit einem Saugrohrdrucksensor. Die mit diesen Sensoren gemessene Temperatur entspricht dann nicht der tatsächlich für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevanten Ansaugtem­ peratur in der Nähe der Einlaßventile, wenn sich die Ansaug­ luft auf ihrem Weg zur Brennkraftmaschine an den warmen Wän­ den des Ansaugrohrs erwärmen kann. Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung kommt die zusätzliche Erwärmung der An­ saugluft durch eine Zumischung des heißen Abgases hinzu.
Es hat sich nun gezeigt, daß mit den herkömmlichen Systemen nicht immer optimale Ergebnisse bezüglich des Einflusses der Ansauglufttemperatur zu erzielen sind. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzuge­ ben, um eine Bestimmung der für die Steuerung der Brenn­ kraftmaschine relevanten Ansauglufttemperatur zu ermögli­ chen. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1.
Mit der Erfindung ist es möglich, die Ansauglufttemperatur einer Brennkraftmaschine nahe den Einlaßventilen näherungs­ weise zu modellieren. Basis ist hierbei eine stromaufwärts im Ansaugtrakt gemessene Ansauglufttemperatur, wobei zusätz­ lich die Erwärmung der Ansaugluft im Ansaugrohr auf ihrem Wege zu den Einlaßventilen berücksichtigt wird. Im Falle ei­ ner Abgasrückführung wird ergänzend deren Anteil an der Er­ wärmung der Ansaugluft mit einbezogen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben und er­ läutert. Es zeigen Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung einer Brennkraftmaschine mit Luftansaugrohr und Abgasrohr, Fig. 2 eine Blockdarstellung der Signalverarbeitung für die Bildung eines korrigierten Wertes der Ansauglufttemperatur, Fig. 3 eine Blockdarstellung der Signalverarbeitung für die Bildung eines Wertes der mittleren Temperatur des Ansaugrohres, Fig. 4 eine entsprechende Blockdarstellung der Signalverar­ beitung für die Bildung eines korrigierten Wertes der An­ sauglufttemperatur bei Abgasrückführung und Fig. 5 eine Blockdarstellung der Signalverarbeitung für die Bildung ei­ nes Wertes der Temperatur des zurückgeführten Abgases.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine Übersicht einer Brennkraftmaschine zusam­ men mit Luftansaugrohr und Abgasrohr. Mit 10 selbst ist die Brennkraftmaschine bezeichnet, mit 11 einer der Zylinder bzw. Brennräume. Begrenzt wird der Brennraum auf der Unter­ seite durch einen Kolben 12, auf der Oberseite zumindest mit einem Einlaßventil 13 sowie einem Auslaßventil 14. Das Ein­ laßventil 13 bildet dabei das stromabwärts liegende Ende ei­ nes Ansaugrohres 15, in dem weiter stromaufwärts eine Dros­ selklappe 16 angeordnet ist. Ausgangsseitig der Brennkraft­ maschine ist ein Abgasrohr 17 eingetragen. Eine Verbindungs­ leitung 18 zwischen Abgasrohr 17 und Luftansaugrohr 15 sorgt für die Möglichkeit einer Abgasrückführung, deren Menge mit einem nicht dargestellten, steuerbaren Ventil einstellbar ist.
Zur Darstellung und Erläuterung der Erfindung sind ergänzend in Fig. 1 Temperaturwerte eingetragen. So besitzt die An­ sauglufttemperatur vor der Drosselklappe 16 einen Wert mit der Bezeichnung TANS, nach der Drosselklappe einen Wert T1. Mit TWS ist die mittlere Temperatur des Ansaugrohres be­ zeichnet. Unmittelbar im Bereich des Einlaßventiles 13 be­ sitze die Ansaugluft den Wert TANSK, was einem korrigierten Ansauglufttemperaturwert entspreche. Nach dem Auslaßventil haben die Abgase eine Abgastemperatur TAbgas. Schließlich ist noch ein Temperaturwert für das zurückgeführte Abgas mit TAGR im Bereich der Einmündung der Abgasrückführleitung 18 in das Luftansaugrohr 15 eingezeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist es nun, einen Wert für die kor­ rigierte Ansauglufttemperatur TANSK auf der Basis verfügba­ rer Meß- bzw. Steuerwerte anzugeben. Dazu dient eine Signal­ verarbeitung, wie sie in einer Blockdarstellung in Fig. 2 angegeben ist. Eingangsseitig stehen bei dieser Darstellung von Fig. 2 Werte für die Ansauglufttemperatur TANS (Block 20), die mittlere Temperatur des Ansaugrohres TWS (Block 21) sowie die Luftmasse (Block 22) bereit. An einem Ausgang 23 stehe das Signal der korrigierten Ansauglufttemperatur TANSK zur Verfügung.
Die Bildung des korrigierten Wertes der Ansauglufttemperatur TANSK erfolgt nach der Formel
TANSK = T1 + (TWS-T1).f.
Dabei bedeuten
TANSK = korrigierter Wert der Ansauglufttemperatur,
T1 = rechnerisch ermittelter oder gemessener Wert (TANS) der brennkraftmaschinenfernen Ansauglufttemperatur,
TWS = Wert der mittleren Temperatur des Ansaugrohres, und
f = Wichungsfaktor im Bereich zwischen 0 und 1.
Zur Bereitstellung des korrigierten Wertes der Ansaugluft­ temperatur TANSK gelangt nach Fig. 2 das Signal T1 bzw. TANS auf eine Additionsstelle 24, deren zweiter Eingang das Aus­ gangssignal einer Multiplikationsstelle 25 zugeführt erhält. Diese Multiplikationsstelle 25 erhält ihrerseits einen Dif­ ferenzwert zwischen dem Wert der mittleren Temperatur des Ansaugrohres TWS sowie dem Wert TANS bzw. T1. Am zweiten Eingang der Multiplikationsstelle 25 wird das Ausgangssignal f einer Kennlinie 26 bereitgestellt, deren Eingangsgröße die Luftmasse (22) ist.
Ergänzend oder alternativ ist der Multiplikationsstelle 25 auch das Ausgangssignal eines Kennfeldes 27 zuführbar, des­ sen Eingangsgrößen Signale für Drehzahl und Last (28, 29) sind.
Ein Vergleich der Darstellung von Fig. 2 mit der oben ange­ gebenen Formel macht deutlich, daß der Wichtungsfaktor f ausgehend von Signalen der Luftmasse 22 und/oder der Dreh­ zahl 28 Sowie der Last 29 gebildet wird.
Wesentlich ist, daß dieser Wichtungsfaktor f betriebskenn­ größenabhängig ist, wobei diese Betriebskenngrößen kenn­ zeichnend für den Luftstrom zur Brennkraftmaschine sind. In diesem Sinne könnte auch z. B. ein Signal bezüglich des Dros­ selklappenwinkels sowie des Drucks im Ansaugrohr Verwendung finden.
Die Blockdarstellung der Signalverarbeitung von Fig. 2 setzt die Kenntnis eines Wertes der mittleren Temperatur des Ansaugrohres TWS voraus. Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit zur Bildung eines entsprechenden Temperaturwertes ausgehend von verschiedenen Eingangsgrößen. Dabei sind aus Fig. 2 bekann­ te Elemente mit den bereits dort verwendeten Bezugsziffern versehen. Mit 30 ist ein Sensor für die Brennkraftmaschinen­ temperatur TMOT bezeichnet. Ein Signal T1 werde mittels des Blockes 31 bereitgestellt. Dabei entspricht T1 der Ansaug­ lufttemperatur TANS in den Fällen, daß keine Abgasrückfüh­ rung stattfindet. Mit Blick auf eine allgemeine Darstellung wurde jedoch in Fig. 3 dieser Signalwert T1 getrennt darge­ stellt. Ein Signal bezüglich der Fahrzeuggeschwindigkeit wird mittels eines Sensors 32 zur Verfügung gestellt.
Die Ausgangssignale von Block 20 und 31 werden je einer Mul­ tiplikationsstelle 34 und 35 zugeführt. Ausgangsseitig ste­ hen diese beiden Multiplikationsstellen 34 und 35 mit einer Additionsstelle 36 in Verbindung, der ergänzend das Signal TMOT zugeführt wird. Das gebildete Summensignal stellt den Zählerwert in einer anschließenden Divisionsstelle 37 dar, deren Ausgang wiederum über einen Tiefpaß 38 letztlich dem Ausgangssignal TWS als der mittleren Temperatur des Ansaug­ rohres entspricht.
Das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 32 gelangt zu einer Kenn­ linie 40, deren Ausgang sowohl mit der Multiplikationsstelle 34 als auch mit einer Additionsstelle 41 in Verbindung steht, die wiederum das Nenner-Signal für die Divisonsstelle 37 zur Verfügung stellt. Entsprechend folgt Block 22 für die Darstellung eines Luftmassensignals eine Kennlinie 43, deren Ausgang das zweite Signal der Multiplikationsstelle 35 bil­ det und ebenfalls zur Additionsstelle 41 geführt ist. Dieser Additionsstelle wird ergänzend ein Konstantwert aus einem Konstantwertspeicher 44 zugeführt. Schließlich ist noch eine weitere Kennlinie 45 vorgesehen, die als Eingangssignal das Signal der Luftmasse (22) zugeführt erhält und ausgangssei­ tig die Zeitkonstante des Filters bzw. Tiefpasses 38 be­ stimmt.
Der aus Fig. 3 ersichtliche schaltungstechnische Zusammen­ hang läßt sich in folgender Formel ausdrücken:
TWS (ungefiltert) = (TMOT + TANS.K1)/(1 + K2)
mit TMOT = Brennkraftmaschinentemperatur, Wassertemperatur
TANS = gemessener Wert der brennkraftmaschinenfernen Ansauglufttemperatur
K1 = fahrzeuggeschwindigkeits- und/oder luftmassenabhängiger Kennlinienwert
K2 = fahrzeuggeschwindigkeits- und luftmassenabhängiger Kennlinienwert (Fig. 3).
Fig. 4 entspricht weitestgehend der Darstellung von Fig. 2 mit dem Unterschied, daß ergänzend die Einflüsse im Rahmen der Abgasrückführung aufgenommen sind. Nach dieser Darstel­ lung ergibt sich T1 als der rechnerisch ermittelte Wert der brennkraftmaschinenfernen Ansauglufttemperatur T1 zu
T1 = TANS + Rate AGR.(TAGR-TANS)
mit Rate AGR = der Rate des zurückgeführten Abgases, sowie
TAGR = der Temperatur des zurückgeführten Abgases.
Zur Bildung des Signalwertes für T1 werden als Eingangsgrö­ ßen ein Wert der Temperatur des zurückgeführten Abgases TAGR (Block 50) sowie einer Rate für das zurückgeführte Abgas (Rate AGR, 51) verarbeitet. In einer Subtraktionsstelle 52 wird die Differenz zwischen den Temperaturwerten des rückge­ führten Abgases sowie der Ansauglufttemperatur gebildet und anschließend in einer Multiplikationsstelle 53 mit der Ab­ gasrückführrate multipliziert. Die Summe des Ausgangssignals von Multiplikationsstelle 53 sowie der Ansauglufttemperatur bildet dann den Temperaturwert T1 für das Ansaugluft-Ab­ gasgemisch nach der Drosselklappe 16 im Bereich der Ein­ mündungsstelle des Abgasrückführungsrohres 18 in das Ansaug­ rohr 15.
Das im Rahmen der Signalverarbeitung von Fig. 4 erforderli­ che Temperatursignal für das zurückgeführte Abgas läßt sich entsprechend der Blockdarstellung von Fig. 5 aus verschie­ denen gemessenen oder berechneten Größen bilden. So ergibt sich der Temperaturwert des zurückgeführten Abgases nach Fig. 5 als tiefpaßgefiltertes Signal abhängig von Werten der Ansauglufttemperatur, der Drehzahl, der Last sowie der zu­ rückgeführten Abgasmasse (AGR-Masse). Als Maß hierfür kann z. B. ein betriebskenngrößenabhängig verarbeitetes Ansteuer­ signal für den Steller in der Abgasrückführleitung dienen.
Nach Fig. 5 wird ausgehend von den Signalen für Drehzahl und Last (28, 29) mittels eines Kennfeldes 55 ein geschätz­ ter Wert für die Abgastemperatur TAbgas nach den Auslaßven­ tilen 14 gebildet. Die Differenz zwischen dem Wert TAbgas sowie der Ansauglufttemperatur TANS wird in einer Differenz­ bildungsstelle 56 ermittelt, nachfolgend in einer Multipli­ kationsstelle 57 mit einem Wichungsfaktor multipliziert und gelangt auf eine Additionsstelle 58 zusammen mit einem Wert für die Ansauglufttemperatur TANS. Ausgangsseitig steht die Additionsstelle 58 mit dem Eingang eines nachfolgende Fil­ ters 59 in Verbindung, das z. B. als Tiefpaß ausgebildet sein kann und letztlich einen Signalwert für die Temperatur des zurückgeführten Abgases (TAbgas) zur Verfügung stellt. Zur Berücksichtigung der Masse des zurückgeführten Abgases auf die Temperatur des zurückgeführten Abgases wird der Wert AGR-Masse über je eine Kennlinie 61 und 62 zur Multiplikati­ onsstelle 57 sowie zum Filter 59 zur Beeinflussung der Fil­ terkonstante des Filters 59 geführt.
Die Signaldarstellung der einzelnen Figuren machen deutlich, daß es Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, eine Me­ thode sowie eine Vorrichtung anzugeben zur näherungsweisen Bestimmung der Temperatur der Ansaugluft nahe den Einlaßven­ tilen, wobei die thermische Zeitkonstante des Saugrohrs be­ rücksichtigt wird, ferner der Einfluß einer externen Abgas­ rückführung.

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen wie Last, Drehzahl, Brennkraftmaschi­ nentemperatur und Ansauglufttemperatur, dadurch gekennzeich­ net, daß für die Steuerung ein korrigierter Wert der Ansaug­ lufttemperatur Verwendung findet, der sich aus der folgenden Formel ergibt:
TANSK = T1 + (TWS-T1).f
mit TANSK = korr. Wert der Ansauglufttemperatur
T1 = rechnerisch ermittelter oder gemessener Wert (TANS) der brennkraftmaschinenfernen Ansauglufttemperatur TWS = Wert der mittleren Temperatur des Ansaugrohres
f = Wichtungsfaktor im Bereich zwischen 0 und 1 (Fig. 1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wichtungsfaktor f betriebskenngrößenabhängig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wichtungsfaktor f abhängig ist vom Luftmassenstrom im Ansaugrohr.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wichtungsfaktor f drehzahl- und lastabhängig ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wert der mittleren Temperatur des An­ saugrohres TWS als gewichtetes Mittel von Brennkraftmaschi­ nentemperatur TMOT und gemessener Ansauglufttemperatur be­ stimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung des gewichteten Mittels Betriebskenngrößen einbezogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebskenngröße die Fahrzeuggeschwindigkeit berück­ sichtigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebskenngröße Last oder angesaugte Luftmasse be­ rücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß daß der Wert der mittleren Temperatur des Ansaugrohres TWS nach der Formel bestimmt wird:
TWS = (TMOT + TANS.K1)/(1 + K2)
mit TMOT = Brennkraftmaschinentemperatur
TANS = gemessener Wert der brennkraftmaschinenfernen Ansauglufttemperatur
K1 = fahrzeuggeschwindigkeits- und/oder luftmassenabhängiger Kennlinienwert
K2 = fahrzeuggeschwindigkeits- und luftmassenabhängiger Kennlinienwert (Fig. 3).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der Bildung des Wertes der mittleren Temperatur des Ansaugrohres (TWS) eine Filterung mit be­ triebskenngrößenabhängiger Zeitkonstante verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz einer Abgasrückführung für T1 gilt:
T1 = TANS + RateAGR.(TAGR-TANS)
mit RateAGR = Rate des zurückgeführten Abgases
TAGR = Temperatur des zurückgeführten Abgases (Fig. 4.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zurückgeführten Abgases (TAGR) als tief­ pass-gefiltertes, gewichtetes Mittel aus Abgastemperatur (TAbgas) und gemessener Ansauglufttemperatur (TANS) ge­ schätzt wird, und Wichtungsfaktor und Filterzeitkonstante abhängig sind vom Gasdurchsatz in der Abgasrückführleitung.
13. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenig­ stens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, nach denen sich ein korrigierter Wert der Ansauglufttemperatur aus der folgenden Formel er­ gibt:
TANSK = T1 + (TWS-T1).f
mit TANSK = korr. Wert der Ansauglufttemperatur
T1 = rechnerisch ermittelter oder gemessener Wert (TANS), der brennkraftmaschinenfernen Ansaug­ lufttemperatur
TWS = Wert der mittleren Temperatur des Ansaugrohres
f = Wichtungsfaktor im Bereich zwischen 0 und 1.
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