DE102006022579B4

DE102006022579B4 - Verfahren und System zum Berechnen der Zylinderfüllung während des Startens

Info

Publication number: DE102006022579B4
Application number: DE102006022579.1A
Authority: DE
Inventors: Kenneth J. Buslepp; Douglas R. Verner; David P. Sczomak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: US7080630B1; DE102006022579A1; CN101008359A; CN101008359B

Abstract

Verfahren zum Starten eines Motors (12), das umfasst: Bestimmen eines ersten Zylinders (20a, 20b, 20c, 20d), der sich vor dem Starten des Motors (12) im Verdichtungshub befindet, anhand eines Positionssignals eines Kurbelwinkelsensors (25); Berechnen einer Luftmasse im ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) anhand des Positionssignals; Berechnen der Luftmasse der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12); Starten des Motors (12); Abgeben von Kraftstoff an den ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) nur dann, wenn die berechnete Luftmasse zur Erzeugung eines Drehmomentbetrages ausreicht, um eine Kurbelwelle (24) bis zum nächsten Zündereignis zu drehen; und Abgeben von Kraftstoff an die restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12) auf der Grundlage der Luftmasse der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d)

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Motorsteuersysteme und insbesondere auf Motorsteuersysteme zum Bestimmen der Zylinderfüllung vor dem Starten.
Während des Betriebs eines Viertaktmotors führt in jedem Zylinder ein Kolben einen Ottozyklus mit einem Ansaughub, einem Verdichtungshub, einem Verbrennungs- oder Arbeitshub und einem Expansionshub aus. Im Allgemeinen erfährt jeder Kolben eines Mehrzylindermotors die verschiedenen Hübe zu verschiedenen Zeitpunkten gegenüber anderen Zylindern, um einen ruhigen Betrieb zu erleichtern. Im Ergebnis kann jeder Kolben in den einzelnen Zylindern, wenn der Motor anhält, an verschiedenen Punkten in dem Ottozyklus stehen.
Eine Verbrennung tritt ein, wenn ein Zündfunken an ein Gemisch aus Benzin und Luft, die in einem Zylinder vorhanden ist, abgegeben wird. Wenn ein Motor gestartet wird, wird der Kraftstoff nacheinander an die Zylinder abgegeben. In manchen Fällen besitzt der an einen Zylinder abgegebene Kraftstoff jedoch nicht genügend Luft, um die Verbrennung zu ermöglichen. Im Ergebnis wird der Kraftstoff nicht verbrannt.
Aus der DE 198 35 045 A1 sind ein System und ein Verfahren zu Starten eines Motors bekannt, bei denen ein Zylinder eines Motors anhand eines Positionssignals eines Kurbelwinkelsensors bestimmt wird, der sich vor dem Start des Motors im Arbeitshub befindet. Für diesen Zylinder wird eine Luftmasse anhand des Positionssignals ermittelt, und es wird eine entsprechende Kraftstoffmenge an diesen Zylinder abgegeben.
Die DE 102 58 872 A1 , die DE 102 21 393 A1 , die DE 100 30 001 A1 , die DE 197 43 492 A1 und die US 5 595 161 A beschreiben ähnliche Verfahren, bei denen jedoch lediglich ein Zylinder eines Motors anhand eines Positionssignals eines Kurbelwinkelsensors bestimmt wird, der sich im Arbeitshub bzw. in einer vordefinierten Stellung befindet.
In der US 2005/0 087 169 A1 ist ein Verfahren zum erneuten Starten eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem der Schließzeitpunkt eines Einlassventils eines Zylinders, dessen Kolben sich im Verdichtungshub befindet, derart angepasst wird, dass die Verdichtungsarbeit dieses Zylinders kleiner als die Verbrennungsarbeit eines anderen Zylinders ist, der sich im Arbeitshub befindet.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zu schaffen, bei denen vermieden wird, dass Kraftstoff in einen Zylinder eingespritzt wird, wenn für dessen Verbrennung nicht genügend Luft zur Verfügung steht.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. ein System nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Das Verfahren zum Starten eines Motors und das System zum Steuern der Kraftstoffabgabe an einen Motor beim Starten verwenden bzw. umfassen einen Kurbelwinkelsensor, der die Drehposition des Motors bestimmt. Ein Steuermodul des Systems berechnet anhand der Drehposition des Motors die Luftmasse eines ersten Zylinders und gibt auf der Grundlage der Luftmasse nur dann Kraftstoff an den Motor ab, wenn die berechnete Luftmasse zur Erzeugung eines Drehmomentbetrages ausreicht, um eine Kurbelwelle bis zum nächsten Zündereignis zu drehen. Die Luftmasse basiert auf dem Volumen, dem Druck und der Temperatur des ersten Zylinders.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen berechnet das Steuermodul die Luftmasse der restlichen Zylinder in dem Motor und gibt auf der Grundlage der Luftmasse der restlichen Zylinder Kraftstoff an diese aus. Das Steuermodul berechnet anhand der Luftmasse des ersten und der restlichen Zylinder eine Einlasskrümmer-Luftmasse. Anhand der Einlasskrümmer-Luftmasse wird der Einlasskrümmerdruck berechnet. Das Drosselventil wird auf der Grundlage des Einlasskrümmerdrucks eingestellt.
Weitere Anwendungsfelder der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
1 einen funktionalen Blockschaltplan, der ein erfindungsgemäßes Motorsteuersystem zeigt;
2 einen Ablaufplan der eine erfindungsgemäße Motor-Startsteuerung zum Bestimmen der Zylinderfüllung zeigt; und
3 einen Ablaufplan, der eine erfindungsgemäße Motor-Startsteuerung zum Einstellen einer Drosselposition zeigt.
Der Klarheit wegen werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung von gleichartigen Elementen benutzt. So, wie der Ausdruck ”Module” hier gebraucht wird, bezieht er sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, aufgabenspezifisch oder Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Wie zunächst in 1 gezeigt ist, umfasst ein Fahrzeugsystem 10 einen Motor 12. Der Motor 12 weist ein Drosselventil 14 und einen Einlasskrümmer 16 auf. Der Luftstrom durch das Drosselventil 14 in den Einlasskrümmer 16 basiert auf der Stellung einer Drosselklappe 18. Der Motor 12 enthält Zylinder 20a–20d mit Kolben 21a–21d. Obwohl 1 vier Zylinder zeigt, kann der Motor 12 natürlich mehr oder weniger Zylinder besitzen. Es kommen beispielsweise Motoren mit 2, 4, 5, 8, 10, 12 und 16 Zylindern in Betracht.
In die einzelnen Zylinder 20a–20d strömt Luft. Die Kolben 21a–21d komprimieren jeweils ein Luft/Kraftstoff-Gemisch. Genauer wird der Luftstrom in die Zylinder 20a–20d mit Kraftstoff vermischt, der durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 22 eingespritzt wird. Eine jedem Zylinder zugeordneter Zündkerze (nicht gezeigt) zündet das Luft/Kraftstoff-Gemisch in einem Verbrennungsprozess, um ein Motordrehmoment zu erzeugen.
Eine Kurbelwelle 24 erfährt eine Hin- und Herbewegung von den Kolben 21a–21d und setzt sie in eine Drehbewegung um. Ein Kurbelwinkelsensor 25, der der Kurbelwelle 24 zugeordnet ist, erzeugt für ein Steuermodul 26 ein Positionssignal, das die Drehposition des Motors 12 angibt, wenn er zur Ruhe kommt. In einem Beispiel wird ein Paar von Kurbelwinkelsensoren 25 verwendet, um die Drehposition des Motors 12 und, ob sich der Motor 12 in der Vorwärts- oder der Rückwärtsrichtung dreht, zu bestimmen.
Das Steuermodul 26 steuert die Kraftstoffabgabe an den Motor 12 beim Starten auf der Grundlage der Startsteuerung der vorliegenden Erfindung. Das Steuermodul 26 kommuniziert mit einem Massenluftdurchfluss-(MAF, mass air flow)-Sensor 28, einem Drosselklappenstellungssensor (TPS, throttle position sensor) 30, einem Krümmer-Absolutdruck-(MAP, manifold absolute Pressure)-Sensor 32 und einem Motordrehzahlsensor 34. Der MAF-Sensor 28 erzeugt ein Signal, dass die Luftdurchflussmenge durch das Drosselventil 14 angibt. Der TPS 30 erzeugt ein Signal, das die Stellung der Drosselklappe 18 angibt, während der MAP-Sensor 32 ein Signal erzeugt, das den Druck im Einlasskrümmer 16 angibt. Das Steuermodul 26 stellt das Motordrehmoment anhand eines angeforderten Drehmoments ein.
Der Motordrehzahlsensor 34 erzeugt ein Signal, das die Motordrehzahl (min^–1) angibt. Das Steuermodul 26 kommuniziert außerdem mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 22, um die den Zylindern 20a–20d bereitgestellte Kraftstoffmenge zu steuern, und mit einem Zündsystem bzw. einer Zündanlage 36, um den Zeitpunkt des Zündfunkens zu steuern. Durch Umgebungsdruck- und Umgebungstemperatursensoren 38, 40 werden Umgebungsdruck- bzw. Umgebungstemperatursignale erzeugt.
Die Startsteuerung wird nun ausführlicher beschrieben. Das Steuermodul 26 verwendet zum Bestimmen der Luftmasse in einem jeweiligen Zylinder 20a–20d während des Startereignisses die allgemeine Gasgleichung und die Gleichungen für kompressible Strömungen. Die allgemeine Gasgleichung und die Gleichungen für kompressible Strömungen werden nachstehend wiedergegeben. PV = nRT, (1) wobei:

P: = Zylinderdruck während des Betriebs;
V: = für die Verbrennung verfügbares Zylindervolumen;
n: = Gasmasse oder Gasmole;
R: = allgemeine Gaskonstante für Luft; und
T: = Umgebungstemperatur

Drosseldurchfluss = Φ( BarKorrect / TempKorrect)(Drosselfläche)(MaxDrosseldurchfluss), (2)

Φ: = f(MAP/P_barometrisch);
BarKorrekt: = Korrektur des barometrischen Drucks; und
TempKorrekt: = Temperaturkorrektur

Die Variablen BarKorrekt und TempKorrekt sind die Korrektur des barometrischen Drucks bzw. die Temperaturkorrektur, die auf Umgebungsdruck- bzw. Umgebungstemperatursignalen, die durch die Sensoren 38 und 40 erzeugt werden, basieren und über ein Kennfeld ermittelt werden können. Drosselfläche und MaxDrosseldurchfluss basieren auf einer durch den TPS 30 gelieferten Drosselklappenstellung und können über ein Kennfeld ermittelt werden.
Mit Bezug auf 2 wird nun ein Verfahren 100 für die Startsteuerung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Die Steuerung beginnt im Schritt 102. Im Schritt 104 bestimmt die Steuerung die Halteposition eines ersten Zylinders 20a–20d. Als erster Zylinder wird jener Zylinder betrachtet, der sich gegenwärtig im Verdichtungshub befindet. Die Halteposition kann anhand des durch den Kurbelwinkelsensor 25 gelieferten Positionssignals bestimmt werden. Sobald die Halteposition bestimmt worden ist, berechnet die Steuerung im Schritt 106 die Luftmasse im ersten Zylinder. Die Luftmasse wird mittels der oben genannten allgemeinen Gasgleichung (1) berechnet. Genauer löst die Steuerung nach n auf, wobei sie für die verbleibenden Variablen bekannte Werte verwendet. Anhand der Halteposition des ersten Zylinders kann selbstverständlich das Zylindervolumen V berechnet werden. Genauer können das gesamte Zylindervolumen und die Halteposition des ersten Zylinders (oder der Ort des betreffenden Kolbens) dazu verwendet werden, das für die Verbrennung verfügbare Zylindervolumen V zu berechnen.
Im Schritt 108 berechnet die Steuerung die Luftmasse in den restlichen Zylindern 20a–20d unter Verwendung der jeweiligen Haltepositionen und Anwendung der oben beschriebenen allgemeinen Gasgleichung.
Im Schritt 110 berechnet die Steuerung die Luftmasse im Einlasskrümmer 16 mittels der allgemeinen Gasgleichung (1), wobei P der Druck des Einlasskrümmers 16 in Ruhe ist und V das Volumen des Einlasskrümmers 16 ist. Im Schritt 116 bestimmt die Steuerung, ob eine Startanforderung empfangen worden ist. Wenn eine Startanforderung empfangen worden ist, bestimmt die Steuerung im Schritt 120, ob das Drehmomentpotential im ersten Zylinder ausreichend ist. Wenn keine Startanforderung empfangen worden ist, kehrt die Steuerung in einer Schleife zum Schritt 106 zurück. Wenn die Luftmasse im ersten Zylinder ausreicht, um einen angemessenen Drehmomentbetrag bereitzustellen, wird im Schritt 122 der Motor 12 gestartet und der erste Zylinder mit Kraftstoff versorgt. Ein ausreichendes Drehmomentpotential kann jener Drehmomentbetrag sein, der erforderlich ist, um die Kurbelwelle 24 bis zum nächsten Zündereignis zu drehen. Wenn die Steuerung feststellt, dass im ersten Zylinder keine ausreichende Luftmasse vorhanden ist, startet die Steuerung im Schritt 124 den Motor 12. Die restlichen Zylinder werden dann im Schritt 128 mit Kraftstoff versorgt, worauf die Steuerung im Schritt 130 endet.
Mit Bezug auf 3 wird nun ein Verfahren 150 zum Einstellen einer Drosselposition gemäß einer Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Die Steuerung beginnt im Schritt 152. In einer Ausführungsform kann das Verfahren 150 im Anschluss auf den Schritt 128 des Verfahrens 100 ausgeführt werden. Im Schritt 154 berechnet die Steuerung mittels der allgemeinen Gasgleichung (1) die Luftmasse in den Zylindern 20a–20d. Im Schritt 158 gibt die Steuerung auf der Grundlage der berechneten Luftmasse in den Zylindern 20a–20d Kraftstoff an diese ab. Im Schritt 160 berechnet die Steuerung mittels der allgemeinen Gasgleichung (1) die Luftmasse im Einlasskrümmer 16. Genauer wendet die Steuerung die folgende Gleichung an: Krümmer-Luftmasse_neu = Krümmer-Luftmasse_alt – (Luftmasse der Zylinder 1 – n) (3)
Sobald die Krümmer Luftmasse_neu berechnet worden ist, wird im Schritt 162 ein vorhergesagter Krümmerdruck, MAP_vorhergesagt, berechnet, indem die allgemeinen Gasgleichung (1) angewandt wird und nach P aufgelöst wird, wobei P = MAP_vorhergesagt und n = Krümmer-Luftmasse_neu;
Es sei angemerkt, dass sich MAP_vorhergesagt unter Bedingungen, unter denen die wirkliche Motordrehzahl-Änderungsgeschwindigkeit während des Startens wesentlich von der Norm abweicht, von dem wirklichen MAP unterscheidet. In manchen Fällen ergeben sich die beste Qualität und das am besten wiederholbare Starten, wenn das Drosselventil 14 geschlossen oder fast geschlossen ist. Dies verringert auch die Schwankung, die mit einer durch höheren Zeitaufwand veränderlichen Gesamtluftmasse im Einlasskrümmer 16 zusammenhängt.
Im Schritt 164 stellt die Steuerung den Luftdurchfluss durch das Drosselventil 14 anhand von MAP_vorhergesagt unter Anwendung der Gleichung für kompressible Strömungen (2) ein, wobei: Φ = f(MAP_vorhergesagt/P_barometrisch).
Im Schritt 168 ermittelt die Steuerung, ob der Einlasskrümmer 16 ausgepumpt ist. Der Einlasskrümmer 16 ist ausgepumpt, sobald ein bestimmter Druckabfall am Drosselventil 14 vorhanden ist. Wenn der Einlasskrümmer 16 nicht ausgepumpt ist, kehrt die Steuerung in einer Schleife zum Schritt 154 zurück. Wenn der Einlasskrümmer 16 ausgepumpt ist, wird im Schritt 170 der MAF-Sensor 28 verwendet, um während des normalen Motorbetriebs nachträgliche Luftmassenberechnungen durchzuführen. Die Steuerung endet im Schritt 172.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Motors und ein System zum Steuern der Kraftstoffabgabe an einen Motor beim Starten, der einen Kurbelwinkelsensor umfasst, der die Drehposition des Motors bestimmt. Ein Steuermodul des Systems berechnet anhand der Drehposition des Motors die Luftmasse eines ersten Zylinders und gibt auf der Grundlage der Luftmasse nur dann Kraftstoff an den Motor ab, wenn die berechnete Luftmasse zur Erzeugung eines Drehmomentbetrages ausreicht, um eine Kurbelwelle bis zum nächsten Zündereignis zu drehen. Die Luftmasse basiert auf dem Volumen, dem Druck und der Temperatur des ersten Zylinders.

Claims

Verfahren zum Starten eines Motors (12), das umfasst: Bestimmen eines ersten Zylinders (20a, 20b, 20c, 20d), der sich vor dem Starten des Motors (12) im Verdichtungshub befindet, anhand eines Positionssignals eines Kurbelwinkelsensors (25); Berechnen einer Luftmasse im ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) anhand des Positionssignals; Berechnen der Luftmasse der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12); Starten des Motors (12); Abgeben von Kraftstoff an den ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) nur dann, wenn die berechnete Luftmasse zur Erzeugung eines Drehmomentbetrages ausreicht, um eine Kurbelwelle (24) bis zum nächsten Zündereignis zu drehen; und Abgeben von Kraftstoff an die restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12) auf der Grundlage der Luftmasse der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Luftmasse auf dem für die Verbrennung verfügbaren Volumen des ersten Zylinders (20a, 20b, 20c, 20d) während des Startens des Motors (12) basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Luftmasse auf dem Druck im ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Luftmasse auf der Temperatur im ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Berechnen einer momentanen Einlasskrümmer-Luftmasse anhand der Differenz zwischen einer vorhergehenden Einlasskrümmer-Luftmasse und der Luftmasse des ersten und der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d).
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Berechnen eines vorhergesagten Einlasskrümmerdrucks anhand der momentanen Einlasskrümmer-Luftmasse; und Einstellen des Drosselventils (14) auf der Grundlage des vorhergesagten Einlasskrümmerdrucks.
System zum Steuern der Kraftstoffabgabe an einen Motor (12) beim Starten, das umfasst: einen Kurbelwinkelsensor (25), der jeweils ein Positionssignal von Kolben (21a, 21b, 21c, 21d) in Zylindern (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12) bestimmt; und ein Steuermodul (26), das anhand der Positionssignale der Kolben (20a, 20b, 20c, 21d) in den Zylindern (20a, 20b, 20c, 20d) einen ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) bestimmt, der sich vor dem Starten des Motors (12) im Verdichtungshub befindet, eine Luftmasse eines ersten Zylinders (20a, 20b, 20c, 20d) anhand des Positionssignals des Kolbens (21a, 21b, 21c, 21d) in dem ersten Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) berechnet, die Luftmasse für die restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12) berechnet, den Motor (12) startet, nur dann Kraftstoff an den ersten Zylinder abgibt, wenn die berechnete Luftmasse zur Erzeugung eines Drehmomentbetrages ausreicht, um eine Kurbelwelle (24) bis zum nächsten Zündereignis zu drehen, und Kraftstoff an die restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) des Motors (12) auf der Grundlage der Luftmasse der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) abgibt.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmasse auf einem für die Verbrennung verfügbaren Volumen, einem Druck und einer Temperatur des ersten Zylinders (20a, 20b, 20c, 20d) während des Startens des Motors (12) basiert.
System nach Anspruch 7, das einen Einlasskrümmer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (26) eine momentane Luftmasse des Einlasskrümmers anhand einer Differenz zwischen einer vorhergehenden Luftmasse des Einlasskrümmers und der Luftmasse des ersten und der restlichen Zylinder (20a, 20b, 20c, 20d) berechnet.
System nach Anspruch 9, das ein Drosselventil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (26) anhand der momentanen Einlasskrümmer-Luftmasse einen vorhergesagten Druck im Einlasskrümmer berechnet und anhand des vorhergesagten Einlasskrümmerdrucks das Drosselventil (14) einstellt.