DE4227431A1 - Verfahren zur zylinderspezifischen bestimmung der in den brennraum einer brennkraftmaschine eingesaugten luftmasse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zylinder­ spezifischen Bestimmung der in den Brennraum einer Brennkraft­ maschine, insbesondere eines Kfz-Motors, eingesaugten Luft­ masse, das eine transiente Vorausschätzung der angesaugten Luftmasse gestattet.

Für das Problem einer zylinderspezifischen Bestimmung der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingesaugten Luftmasse sind bisher keine Lösungen bekannt geworden.

Die Kenntnis über diesen Arbeitsparameter ist im Hinblick auf den optimalen Betrieb einer Brennkraftmaschine von wesentlicher Bedeutung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bestimmt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand bevor­ zugter Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.

Zunächst werden in der anschließend angegebenen Art und Weise pro Arbeitsspiel der Zylinderzahl der betreffenden Brennkraft­ maschine entsprechend viele Kurbelwinkel- (KW-) Marken defi­ niert, z. B. für 4-Zylinder-Motoren im Abstand von 180° KW.

In dem Zeitraum zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kur­ belwinkel-Marken wird das lineare (oder linearisierte) Aus­ gangssignal eines Luftmassensensors (oder eines Luftvolumensen­ sors oder eines p-korrigierten Luftvolumensensors) von einem fest vorgegebenen Anfangswert, vorzugsweise Null, an aufinte­ griert. Der am Ende des vorgegebenen Intervalls erreichte Wert dieses Integrals wird zwischengespeichert. Dieser Wert ent­ spricht bei der weiter unten angegebenen Festlegung der Kurbel­ winkel-Marken der angesaugten Luftmasse desjenigen Zylinders, dessen Ansaugphase während des Integrations-Intervalls gerade wirksam war. Die Summe der aufintegrierten Werte, die den Zy­ lindern während eines Arbeitsspiels zuzuordnen sind, ist bei diesem Vorgehen gleich der während des Arbeitsspiels insgesamt angesaugten Luftmasse.

Anstelle der Kurbelwinkel-Marken können sinngemäß auch entspre­ chende im wesentlichen kurbelwellensynchrone Zeit-Marken ver­ wendet werden.

Der Abstand zwischen jeweiligen Marken eines Arbeitsspiels und den jeweiligen des folgenden Arbeitsspiels beträgt bei statio­ närem Betrieb 720° KW. Anfang und Ende aller jeweils durch zwei Marken begrenzten Integrations-Intervalle werden in Abhängig­ keit von Last und Drehzahl oder eventueller weiterer Parameter empirisch oder aufgrund von theoretischen oder modellgestützten Annahmen so festgelegt, daß die jeweiligen aufintegrierten Werte den jeweils angesaugten Luftmassen der zugeordneten Zy­ linder entsprechen. Diese Kurbelwinkel-Marken werden in einem Kennfeld über diesen Parametern abgelegt. Dabei kann als erfin­ dungsgemäße Alternative zur Vereinfachung eine Marke pro Ar­ beitsspiel periodisch als festliegend angesetzt werden. Sie braucht aus diesem Grunde nicht in das Kennfeld übernommen zu werden.

Ein zusätzlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung betrifft die Bestimmung der angesaugten Luftmasse eines Zylinders im Voraus mit Hilfe der zylinderspezifischen Bestimmung der Luft­ masse, und zwar auch unter instationären Betriebsbedingungen.

Dazu wird fortlaufend das Verhältnis zwischen dem aufintegrier­ ten Wert eines jeweiligen Zylinders und dem aufintegrierten Wert desselben Zylinders aus dem vorangegangenen Zyklus berech­ net. Mit dem Wert dieses Verhältnisses wird für den anstehenden Zylinder sein aufintegrierter Wert der Luftmasse aus dem vor­ hergehenden Arbeitsspiel multipliziert. Daraus ergibt sich der Wert der angesaugten Luftmenge für den jeweils folgenden Zylin­ der schon im Voraus.

Erfindungsgemäß werden für den jeweils folgenden Zylinder auch Verhältnisse mehrerer vorhergehender Zylinder zur Vorausschät­ zung herangezogen.

Eine weitere Möglichkeit zur zylinderspezifischen Vorausbestim­ mung der angesaugten Luftmasse besteht darin, im vorausgehenden Zyklus das Verhältnis zwischen dem während eines durch eine zwischenliegende Kurbelwinkel-Marke oder eine Teilzeit defi­ nierten Teilintervalls aufintegrierten Wert des Luftmassensen­ sorsignals und dem über das gesamte Intervall aufintegrierten Wert zu bestimmen. Mit diesem Verhältniswert ist der in einem äquivalenten Teilintervall aufintegrierte Wert der aktuellen Messung zu multiplizieren, um den letztendlich zu erwartenden Gesamtwert mit guter Genauigkeit vorauszuschätzen.

Nachdem der zu erwartende Wert der vom Zylinder angesaugten Luftmasse mit geringerer Genauigkeit ohnehin bekannt ist, ist es mit ausreichender Sicherheit möglich, den Zeitpunkt des Be­ ginns der Kraftstoffeinspritzung so zu legen, daß einerseits genügend Zeit für den Einspritzvorgang zur Verfügung steht und andererseits auch der Zeitpunkt des Endes des Einspritzvorgangs so gelegt werden kann, daß nach Vorliegen des Schätzwertes für die gesamte vom Zylinder angesaugte Luftmasse die einzusprit­ zende Kraftstoffmenge der Luftmasse angemessen mit guter Genau­ igkeit zudosiert werden kann.

Eine weitere erfindungsgemäße Alternative besteht darin, das/die Verhältnis(se) der gemessenen Werte zweier (oder mehre­ rer) jeweils vorhergehender Zylinder zu bestimmen. Dieses hat im stationären Zustand einen bestimmten Wert, der in Abhängig­ keit von Last (Drehmoment) und Drehzahl bestimmt und abgespei­ chert werden kann. Im instationären Fall ist dieses Verhältnis in quantifizierbarer Weise verändert. Aus der Veränderung wird erfindungsgemäß auf den aktuellen Zylinder geschlossen, indem das für den stationären Fall bekannte Verhältnis entsprechend der Abweichung bei den vorhergehenden Zylindern (z. B. durch Beaufschlagung mit einer aus der Abweichung der vorhergehenden Zylinder vom im stationären Fall erwarteten Verlauf abgeleite­ ten additiven oder multiplikativen Korrekturgröße) korrigiert wird.

Der vorausgeschätzte Wert der Luftmasse kann mit dem zu Ende des Integrations-Intervalls tatsächlich erreichten verglichen werden. Dabei auftretende bestimmte systematische, interpre­ tierbare Abweichungen können registriert werden und zur adapti­ ven Korrektur in nachfolgenden Zyklen Verwendung finden.

Insbesondere bei größeren Abweichungen zwischen den Werten auf­ einanderfolgender Zyklen oder aufeinanderfolgender Zylinder werden die Korrekturgrößen zur Berücksichtigung von Auf- und Entladevorgängen des Luftansaugtraktes in Anlehnung an empiri­ sche Daten oder Erfahrungswerte oder gestützt auf Modellvor­ stellungen gegenüber den sich nach den weiter oben angegebenen Maßnahmen ergebenden Werten vermindert. Die Abschätzung der für den betreffenden Zylinder zu erwartenden Werte wird entspre­ chend den weiter oben angegebenen Maßnahmen, jedoch mit einer verminderten Korrekturgröße durchgeführt. Der Umfang dieser Verminderung kann insbesondere drehzahlabhängig vorgegeben wer­ den. Des weiteren kann der Umfang dieser Verminderung auch nach Maßgabe der Drosselklappenstellung (oder in sinngemäßer Weise der die Ansaugluft steuerndenStellglieder, z. B. variabel ge­ steuerte Einlaßventile) oder deren Veränderungen vorgenommen werden.

Bei Benutzung von Luftvolumensensoren mit zusätzlicher Druck­ messung kann ein weiterer Erfindungsgedanke Anwendung finden:

Von der dem jeweiligen Zylinder zuzuordnenden Luftmasse wird der Anteil, der sich bei Instationärbetrieb durch Auffüllen oder Entleeren des Saugrohrvolumens ergibt, abgezogen. Dieser Anteil ergibt sich aus dem Saugrohrvolumen (eventuell empirisch zu bestimmen) multipliziert mit der Druckdifferenz zwischen An­ fang und Ende des Integrations-Intervalls nach dem weiter oben Ausgeführten bzw. aus dem entsprechenden Wert des Integrals über dp. Zur Vorausschätzung des in das Speichervolumen flie­ ßenden Anteils oder der diesbezüglich korrigierten zylinderspe­ zifischen erwarteten Luftmasse können insbesondere bei Insta­ tionärbetrieb die Vorausschätz-Maßnahmen, die weiter oben ange­ geben sind, verwendet werden.

Als Sensor für die Last im Hinblick auf die Kennfelder für die Kurbelwinkel-Marken kann insbesondere der Luftmassensensor selbst benutzt werden. Drehzahl und Kurbelwinkel bzw. Zeit­ punkte können aus dem zeitlichen Verlauf des Luftmassensensor­ signals abgeleitet werden.

Die aufintegrierten Werte (oder die Integrationskonstanten) können adaptiv korrigiert werden, wenn die Lambda-Sonde oder eine andere Abgas-Sonde Abweichungen vom vorgegebenen stöchio­ metrischen Verhältnis aufzeigt.

Der aus der Zylinderdruckmessung erhaltene Druckverlauf kann zur Korrektur der Verhältnisse, die sich aus den weiter oben beschriebenen Maßnahmen ergeben, herangezogen werden. Dies dient dazu, vom Abgasgegendruck und dessen Schwankungen verur­ sachte vorhersehbare Abweichungen der vorauszuschätzenden zy­ linderspezifisch angesaugten Luft zu eliminieren. In diesem Fall können die Kurbelwinkel-Marken bzw. die kurbelwellensyn­ chronen Zeit-Marken vom Drucksignal abgeleitet werden.

Im Falle von richtungsunempfindlichen Luftmassensensoren (z. B. Hitzdrahtsensoren) können Marken ermittelt und in dem genannten Kennfeld abgelegt werden, wobei diese Marken die Intervalle festlegen, innerhalb derer eine Richtungsumkehr der Ansaugluft­ strömung zu erwarten ist. Innerhalb dieser Intervalle kann die Integration der Luftmassensensorsignale in umgekehrter Richtung verlaufen, indem z. B. das Vorzeichen des zu integrierenden Si­ gnals bei unverändertem Betrag gewechselt wird.

Gemäß einer Weiterbildung findet dieser Vorzeichenwechsel nur während eines in das vorgenannte Intervall eingebetteten Inter­ valls statt, das durch aufeinanderfolgende Minima des Luftmas­ sensensorsignals abgegrenzt wird. Sinngemäß lassen sich auch mehrere dieser Teilintervalle definieren, wenn zwischen jeweils zweien derartiger Teilintervalle ein analog definiertes Teilin­ tervall einfügt wird, dem eine positive Strömungsrichtung zuge­ ordnet werden kann.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich auch für andere Luftmassen-Erfassungssysteme einsetzen.

Sinngemäß kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die trans­ portierte Nettoluftmasse auch an anderen Stellen der Brenn­ kraftmaschine, beispielsweise am Ort der Einspritzdüsen, be­ stimmt werden, darüber hinaus sogar unter Verwendung mehrerer Stützgrößen der Kennfelder der Verlauf der Luftgeschwindigkeit.

Eine erfoderliche Schaltungsanordnung und/oder der erfoderliche Auswerte-Algorithmus zur erfindungsgemäßen Auswertung kön­ nen/kann ganz oder teilweise in ein Motor-Managementsystem in­ tegriert sein.

Die Schaltungsanordnung zur erfindungsgemäßen Auswertung, re­ alisiert z. B. mit Mikroprozessoren und implementiertem Aus­ werte-Algorithmus, kann ganz oder teilweise mit dem Luftmassen­ sensor zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt sein. Diese Einheit kann mit einer Schnittstelle zur Kommunikation mit anderen Systemen des betreffenden Kraftfahrzeugs (Motor-Ma­ nagementsystem usw.) ausgerüstet sein.

Claims (25)

1. Verfahren zur zylinderspezifischen Bestimmung der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kfz- Motors, eingesaugten Luftmasse, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Anfangsschritt pro Arbeits­ spiel der Zylinderzahl der betreffenden Brennkraftmaschine entsprechend viele Kurbelwinkel- (KW-) Marken definiert werden, z. B. für 4-Zylinder-Motoren im Abstand von 180° KW, daß in dem Zeitraum zwischen jeweils zwei aufeinan­ derfolgenden Kurbelwinkel-Marken das lineare oder line­ arisierte Ausgangssignal eines Luftmassensensors, eines Luftvolumensensors oder eines p-korrigierten Luftvolumen­ sensors von einem fest vorgegebenen Anfangswert, vorzugs­ weise Null, an aufintegriert wird, daß der am Ende des vorgegebenen Intervalls erreichte Wert dieses Integrals zwischengespeichert wird, wobei dieser Wert der angesaugten Luftmasse desjenigen Zylinders entspricht, dessen Ansaug­ phase während des Integrations-Intervalls gerade wirksam war, und daß aus der Summe der aufintegrierten Werte, die den Zylindern während eines Arbeitsspiels zuzuordnen sind, auf die der während des Arbeitsspiels insgesamt angesaugte Luftmasse geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß anstelle der Kurbelwinkel-Marken im wesentlichen kurbelwellensynchrone Zeit-Marken verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen den jeweiligen Marken eines Arbeitsspiels und den jeweiligen des folgenden Arbeitsspiels bei einem stationärem Betrieb 720° KW be­ trägt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Anfang und Ende aller jeweils durch zwei Marken begrenzten Integrations-Intervalle so in Abhän­ gigkeit von Last und Drehzahl und gegebenenfalls weiterer Parameter empirisch festgelegt werden, daß die jeweiligen aufintegrierten Werte den jeweils angesaugten Luftmassen der zugeordneten Zylinder entsprechen, und daß diese Kur­ belwinkel-Marken in einem Kennfeld über diesen Parametern abgelegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Anfang und Ende aller jeweils durch zwei Marken begrenzten Integrations-Intervalle so in Abhän­ gigkeit von Last und Drehzahl und gegebenenfalls weiterer Parameter aufgrund von theoretischen oder modellgestützten Annahmen festgelegt werden, daß die jeweiligen aufinte­ grierten Werte den jeweils angesaugten Luftmassen der zuge­ ordneten Zylinder entsprechen, und daß diese Kurbelwinkel- Marken in einem Kennfeld über diesen Parametern abgelegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Vereinfachung eine Marke pro Ar­ beitsspiel periodisch als festliegend angesetzt wird, womit sie nicht in das Kennfeld übernommen zu werden braucht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der ange­ saugten Luftmasse eines Zylinders im Voraus mit Hilfe der zylinderspezifischen Bestimmung der Luftmasse auch unter instationären Betriebsbedingungen fortlaufend das Verhält­ nis zwischen dem aufintegrierten Wert eines jeweiligen Zy­ linders und dem aufintegrierten Wert desselben Zylinders aus dem vorangegangenen Zyklus berechnet wird und daß mit dem Wert dieses Verhältnisses für den betreffenden Zylinder dessen aufintegrierter Wert der Luftmasse aus dem vorherge­ henden Arbeitsspiel multipliziert wird, woraus sich der Wert der angesaugten Luftmenge für den jeweils folgenden Zylinder bereits im Voraus ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den jeweils folgenden Zylinder auch die Verhältnisse mehrerer vorhergehender Zylinder zur Vorausschätzung herangezogen werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur zylinderspezifischen Vor­ ausbestimmung der angesaugten Luftmasse im vorausgehenden Zyklus das Verhältnis zwischen dem während eines durch eine zwischenliegende Kurbelwinkel-Marke oder eine Teilzeit de­ finierten Teilintervalls aufintegrierten Wert des Luftmas­ sensensorsignals und dem über das gesamte Intervall aufin­ tegrierten Wert bestimmt wird und daß mit diesem Verhält­ niswert der in einem äquivalenten Teilintervall aufinte­ grierte Wert der aktuellen Messung multipliziert wird, um den schließlich zu erwartenden Gesamtwert mit guter Genau­ igkeit vorauszuschätzen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung so gelegt wird, daß einerseits genügend Zeit für den Einspritzvorgang zur Verfügung steht und andererseits auch der Zeitpunkt des Endes des Ein­ spritzvorgangs so gelegt werden kann, daß nach Vorliegen des Schätzwertes für die gesamte vom Zylinder angesaugte Luftmasse die einzuspritzende Kraftstoffmenge der Luftmasse angemessen mit guter Genauigkeit zudosiert werden kann.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verhältnisse der gemessenen Werte zumindest zweier jeweils vorhergehender Zylinder be­ stimmt werden, wobei im stationären Zustand jeweils ein be­ stimmter Wert gegeben ist, der in Abhängigkeit von Drehmo­ ment und Drehzahl bestimmt und abgespeichert werden kann, und wobei im instationären Fall dieses Verhältnis in quan­ tifizierbarer Weise verändert ist, und daß aus der Verände­ rung auf den aktuellen Zylinder geschlossen wird, indem das für den stationären Fall bekannte Verhältnis entsprechend der Abweichung bei den vorhergehenden Zylindern, vorzugs­ weise durch Beaufschlagung mit einer aus der Abweichung der vorhergehenden Zylinder vom im stationären Fall erwarteten Verlauf abgeleiteten, vorzugsweise multiplikativen Korrek­ turgröße korrigiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vorausgeschätzte Wert der Luftmasse mit dem am Ende des Integrations-Intervalls tatsächlich erreichten Wert verglichen wird und daß dabei auftretende bestimmte systematische, interpretierbare Ab­ weichungen registriert und zur adaptiven Korrektur in nach­ folgenden Zyklen verwendet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei wesentlichen Abwei­ chungen zwischen den Werten aufeinanderfolgender Zyklen oder aufeinanderfolgender Zylinder die Korrekturgrößen zur Berücksichtigung von Auf- und Entladevorgängen des Luftan­ saugtraktes in Anlehnung an empirische Daten gegenüber den zuvor gewonnenen Werten vermindert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei wesentlichen Abwei­ chungen zwischen den Werten aufeinanderfolgender Zyklen oder aufeinanderfolgender Zylinder die Korrekturgrößen zur Berücksichtigung von Auf- und Entladevorgängen des Luftan­ saugtraktes in Anlehnung an Erfahrungswerte gegenüber den zuvor gewonnenen Werten vermindert werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei wesentlichen Abwei­ chungen zwischen den Werten aufeinanderfolgender Zyklen oder aufeinanderfolgender Zylinder die Korrekturgrößen zur Berücksichtigung von Auf- und Entladevorgängen des Luftan­ saugtraktes in Anlehnung an Modellvorstellungen gegenüber den zuvor gewonnenen Werten vermindert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Umfang der Verminderung insbesondere drehzahlabhängig vorgegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Umfang der Verminderung außerdem in Abhängigkeit von der Drosselklappenstellung und/oder von den Zuständen der die Ansaugluft steuernden Stellglieder, z. B. variabel gesteuerte Einlaßventile, oder deren Veränderungen bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der dem jeweiligen Zylinder zuzuordnenden Luftmasse der Anteil, der sich bei Instationärbetrieb durch Auffüllen oder Entleeren des Saug­ rohrvolumens ergibt, abgezogen wird, wobei sich dieser An­ teil aus dem Saugrohrvolumen, das gegebenfalls empirisch zu bestimmen ist, multipliziert mit der Druckdifferenz zwi­ schen Anfang und Ende des Integrations-Intervalls oder aus dem entsprechenden Wert des Integrals über dp ergibt.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehzahl und der Kurbelwinkel aus dem zeitlichen Verlauf des Luftmassensensorsignals abgelei­ tet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der aus der Zylinderdruckmessung er­ haltene Druckverlauf zur Korrektur der sich ergebenden Ver­ hältnisse herangezogen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kurbelwinkel-Marken und/oder die kurbelwellensynchronen Zeit-Marken vom Drucksignal abgelei­ tet werden.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Benutzung von rich­ tungsunempfindlichen Luftmassensensoren, beispielsweise Hitzdrahtsensoren, bestimmte Marken ermittelt und in dem genannten Kennfeld abgelegt werden, wobei diese Marken die Intervalle festlegen, innerhalb derer eine Richtungsumkehr der Ansaugluftströmung zu erwarten ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb dieser Intervalle die Inte­ gration der Luftmassensensorsignale in umgekehrter Richtung verläuft, wobei beispielsweise das Vorzeichen des zu inte­ grierenden Signals bei unverändertem Betrag gewechselt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorzeichenwechsel nur während eines in das vorgenannte Intervall eingebetteten Inter­ valls, das durch aufeinanderfolgende Minima des Luftmas­ sensensorsignals abgegrenzt wird, durchgeführt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere derartiger Teilintervalle definiert werden, wenn zwischen jeweils zweien derartiger Teilintervalle ein analog definiertes Teilintervall einfügt wird, dem eine positive Strömungsrichtung zugeordnet werden kann.