DE10344035B4

DE10344035B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Ladedrucks

Info

Publication number: DE10344035B4
Application number: DE10344035A
Authority: DE
Inventors: David J. Farmington Hills Stroh
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: US6810854B2; US20040074474A1; DE10344035A1

Abstract

Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend:
einen Verbrennungsmotor;
einen Ansaugkrümmer, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist;
einen Ladedrucksensor, der den Ladedruck des Verbrennungsmotors bestimmt;
eine Steuereinrichtung zum Steuern des Verbrennungsmotors;
wobei das Drehmoment des Verbrennungsmotors unter Verwendung der Luft-pro-Zylinder gesteuert wird;
wobei die Luft-pro-Zylinder unter Verwendung eines angegebenen mittleren effektiven Drucks gesteuert wird;
wobei die Steuereinrichtung eine Drosselstellung mit einem vorhergesagten Ladedruck in Beziehung setzt; und
wobei die Steuereinrichtung den vorhergesagten Ladedruck in Abhängigkeit von dem angegebenen mittleren effektiven Druck bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Konkreter bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um das Drehmoment eines Verbrennungsmotors zu steuern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem auf dem Motordrehmoment basierenden Steuerungssystem wird das Motordrehmoment unter Ausnutzung der Drosselstellung, Früh/Spätzündung und des Luft/Kraftstoffgemisches gesteuert. Eine Motordrossel reguliert direkt die Leistung/das Drehmoment, das von einem Verbrennungsmotor wie z. B. einem Benzinmotor erzeugt wird, während die Winkelstellung einer Drosselplatte den Luftmassenstrom durch den Verbrennungsmotor steuert. Allgemein wird der mit der in den Motor eintretenden Luft gemischte Kraftstoff so gesteuert, dass er proportional zum Luftmassenstrom zunimmt, so dass die Leistung/das Drehmoment eines Verbrennungsmotors dem Luftmassenstrom durch den Motor direkt proportional ist.
Aus der DE 101 20 032 A1 ist ein Verfahren und System zur Fehlzündungsüberwachung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines vorgegebenen mittleren Effektivdruck-Parameters bekannt.
In der DE 41 21 884 A1 wird eine Steuervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine angegeben, die u. A. eine Druckerfassungsvorrichtung zur Erfassung des Zylinderinnendrucks jedes Zylinders einer Mehrzahl von Zylindern umfasst. Basierend auf dem indizierten mittleren Druck kann zumindest ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder eine Zündzeitpunktstellung unabhängig für jeden Zylinder gesteuert werden.
Die WO 96/32579 A1 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der einströmenden Luftmasse in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels eines Saugrohrfüllungsmodells und einem Verknüpfen von Modellgrößen über eine Differenzialgleichung, wobei die einströmende Luftmasse durch Integration eines linearen Zusammenhangs zwischen berechnetem Saugrohrdruck und einer Modellgröße für den Luftmassenstrom erhalten wird.
Aus der JP 2002-303 177 A ist eine elektronische Steuerungsvorrichtung für eine Drosselklappe bekannt. In Übereinstimmung mit einem geforderten Drehmoment wird über eine Soll-Zylinderluftmenge und einen Soll-Ladedruck eine Soll-Drosselklappenstellung berechnet und ein Drosselklappenstellglied angesteuert.
Ähnliche Vorrichtungen und Verfahren zur Motorsteuerung sind auch in der US 5 107 813 A und US 6499 449 B2 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die besonders geeignet für die Steuerung des Motordrehmoments sind. Die Lösung erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Erfindung bestimmt und steuert den erforderlichen Luftstrom durch den Zylinder oder die ”Luft-pro-Zylinder (engl. air-percylinder)”, die notwendig ist, um ein angefordertes Drehmoment zu liefern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Plot des angezeigten mittleren effektiven Drucks gegen den absoluten Ladeluftdruck.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Zeichnung eines Steuerungssystems für einen Verbrennungsmotor (ICE), das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Durch einen am Einlass 12 beginnenden Einlassluftweg wird an einen ICE 10 Luft geliefert und vom Einlass 12 durch ein den Luftmassenstrom erfassendes Mittel 14 wie z. B. einen herkömmlichen Luftmassenmesser geleitet, der ein Ausgangssignal MAF liefert, das die Rate angibt, mit der Luft durch das Erfassungsmittel gelangt. Die Einlassluft wird über ein Drosselventil 16 wie z. B. ein herkömmliches Schmetterlingsventil, eine Drosselklappe oder eine elektronische Drossel, die innerhalb des Einlassluftweges gemäß einem vom Bediener befohlenen Motor arbeitspunkt rotiert, zum Motor 10 dosiert. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können andere Drosselarten wie z. B. eine Ventildrosselung einschließen. Die Drehstellung des Ventils wird über einen Drosselstellungssensor 18 gemessen, der als Drehpotentiometer allgemein bekannt ist, oder einen Codierer, der ein Ausgangssignal TPOS überträgt, das die Drehstellung des Ventils 16 angibt. Die Drehstellung entspricht der Drosselfläche. Im Einlassluftweg 20 wie z. B. einem Ansaugkrümmer des Motors zwischen dem Drosselventil 16 und dem Motor 10 ist ein Ladedrucksensor 22 angeordnet, um den absoluten Ladeluftdruck zu messen und ein ihn angebendes Ausgangssignal MAP zu übertragen. Im Einlassluftweg 20 wie z. B. im Ansaugkrümmer des Motors ist ein Lufttemperatursensor 21 für den Krümmer vorgesehen, um die Lufttemperatur darin zu erfassen und ein diese angebendes Signal MAT zu übertragen.
Eine Motorausgangswelle 24 wie z. B. eine Motorkurbelwelle rotiert aufgrund des Betriebs des Motors 10 mit einer der Motordrehzahl proportionalen Rate. Fortsätze oder Zähne (die nicht dargestellt sind) sind über einen Umfangsteil der Welle 24 beabstandet. Ein Zahndurchgangssensor 26 wie z. B. ein Sensor mit variabler Reluktanz oder ein Hall-Effekt-Sensor ist bezüglich der Kurbelwellenzähne so positioniert, dass mit dem Sensor ein Passieren bzw. Durchgang der Zähne erfaßt wird. Die Zähne können um den Umfang der Welle 24 so beabstandet sein, dass jeder Durchgang eines Zahns gemäß dem Sensor 26 einem Motorzylinderereignis entspricht. In einem Vierzylinder-Ottomotor kann z. B. die Welle 24 zwei, um den Wellenumfang gleichmäßig beabstandete (180° entfernte) Zähne enthalten. Zusätzliche Zähne können zur Synchronisierung der Zähne eingeschlossen sein, wie man in der Technik der Motorsteuerung allgemein weiß. Der Sensor 26 liefert ein Ausgangssignal RPM mit einer der Motordrehzahl proportionalen Frequenz insofern, als jeder Zyklus von RPM ein Zylinderereignis des Motors 10 anzeigen kann.
Eine Steuereinrichtung bzw. ein Controller 28 wie z. B. ein herkömmlicher Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor empfängt Eingangssignale, die die beschriebenen MAF-, TPOS-, MAP-, MAT- und RPM-Signale einschließen, und bestimmt als Antwort darauf Motorsteuerbefehle, um für eine Steuerung des Motorbetriebs wie z. B. in einer Weise zu sorgen, die mit den allgemein bekannten Praktiken der Motorsteuerung im Einklang steht. Die Eingabeinformation kann z. B. in der Steuerung der Luft-pro-Zylinder verwendet werden, die an die ICE 10 geliefert wird. Die Luft-pro-Zylinder wird bei einer Bestimmung von Anforderungen des Drosselwinkels verwendet. Eine Drosselfläche kann dann erzeugt werden, um die gewünschte Luft-pro-Zylinder zu liefern. Der gewünschte Drosselwinkel kann an den elektronischen Drosselcontroller periodisch ausgegeben werden, um das Drosselblatt zur gewünschten Stellung zu drehen.
In einem auf dem Motordrehmoment basierenden Steuerungssystem ist es erwünscht, das Motordrehmoment bei gegebener Drehmomentreferenz so genau wie möglich zu steuern. Die verfügbaren direkten Steuerungsparameter, die verwendet werden, um das Drehmoment wie vorher beschrieben zu steuern, sind die Drosselplattenfläche oder -stellung, Frühzündung/Spätzündung und das Luft/Kraftstoffgemisch, die für einen Verbrennungsmotor (ICE) verwendet werden. Die vorliegende Erfindung berechnet ein gewünschtes Drehmoment oder bildet dieses auf die Luft-pro-Zylinder ab, die notwendig ist, um das gewünschte Drehmoment in einem Verbrennungsmotor zu liefern. Die Beziehung zwischen der Luft- pro-Zylinder und dem Motordrehmoment ist im Wesentlichen linear, aber die Luft-pro-Zylinder ist ein Zwischensteuerungsparameter, der im Betrieb eines ICE nicht direkt gesteuert wird. Die vorliegende Erfindung bestimmt eine Transferfunktion zwischen den direkten Steuerungsparametern und der Steuerung der Luft-pro-Zylinder. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wandelt eine Transferfunktion die Luft-pro-Zylinder in die Drosselstellung oder -fläche um.
Die Transferfunktion, die die Drosselstellung und die Luft-pro-Zylinder verknüpft, nutzt eine Gleichung für inkompressible Strömung, die einen Luftmassenstrom, Luftdruck, Ladedruck und eine Drosselfläche in Beziehung setzt. Die Gleichung ist wie folgt definiert: A_eff = (mdot × (R × T_amb)½)/(P_amb × phi) (1)wobei:
A_eff ist die effektive Drosselfläche;
R ist die universale Gaskonstante;
T_amb ist die Umgebungstemperatur;
P_amb ist der Luftdruck;
mdot ist die Massenstromrate; und
phi definiert ist als: phi = (P_man/P_amb)(1/Gamma) × {(2 × Gamma/(Gamma – 1) × [1 – (P_man/P_amb)((Gamma-1)/Gamma)]}½ wobei:
P_man der Ladedruck ist; und
Gamma das Verhältnis der spezifischen Wärmen für Luft ist.
Die Variable A_eff für die Drosselfläche kann verwendet werden, um die Drosselstellung direkt zu berechnen. Gleichung 1 ist nicht direkt auf das oben erwähnte Transferfunktionsproblem anwendbar, da der Wert von zwei Variablen adressiert werden muss. Die Variable mdot ist nicht bekannt, nur die Luft-pro-Zylinder, die erforderlich ist, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen. Der Ladedruckwert P_man liegt in einem Übergangszustand, da er sich während des normalen Motorbetriebs kontinuierlich ändert.
Der Wert einer gewünschten Variable der Massenstromrate mdot kann adressiert werden, indem die aktuelle Motordrehzahlmessung verwendet wird, um die mdot aus einer (einem gewünschten Drehmoment oder Drehmomentbefehl entsprechenden) gewünschten Luft-pro-Zylinder wie folgt zu berechnen: mdot = Luft_pro_Zylinder × N × (Nr. der Zylinder/120) (2)
Der Wert der Ladedruckvariable P_man kann adressiert werden, indem der aktuelle unmittelbare Ladedruck verwendet wird. Dies wirft jedoch ein Problem bei der Ansprechzeit aufgrund der Tatsache auf, dass dieser Ladedruck ein Maß dafür ist, wo man ist und nicht worauf man zusteuert (der gewünschte P_man für ein gewünschtes Drehmoment). Folglich wird eine unerwünschte Verzögerung im System eingeführt, die das dynamische Ansprechverhalten behindern kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Vorhersagen des gewünschten Ladedrucks, um die gewünschte Luft-pro-Zylinder zu erreichen, um die Verzögerung zu mildern, die sich aus einer Verwendung eines aktuellen Ladedrucks ergibt. Die vorliegende Erfindung wandelt die gewünschte Luft-pro-Zylinder in den gewünschten, für einen Zylinder angegebenen mittleren effektiven Druck oder IMEP um. Der gewünschte IMEP ist ein mit dem gewünschten MAP verknüpfter Zwischenparameter oder der MAP, auf den das Motorsteuerungssystem im stationären Zustand für ein gewünschtes Drehmoment zusteuert. Durch Verwenden von IMEP nutzt die vorliegende Erfindung die Beziehungen zwischen IMEP und MAP aus, um das Ansprechverhalten für das System zu beschleunigen. IMEP ist definiert als die Arbeit, die pro Zylindervolumen verrichtet wird, oder IMEP = Arbeit/Zylinder_Volumen. Der Term Arbeit kann aus der folgenden thermodynamischen Beziehung berechnet werden: Arbeit = Luft_pro_Zylinder/(Luft_Kraftstoff_Verhältnis) × Q_LHV × eta_c (3)wobei:
Luft_Kraftstoff_Verhältnis bekannt ist (unter der Annahme eines stöchiometrischen Betriebs oder eines anderen bekannten Betriebszustandes);
Q_LHV ein durchschnittlicher unterer Brennwert des Kraftstoffs ist; und
eta_c ein durchschnittlicher thermodynamischer Wirkungsgrad ist, der die Menge an Energie bestimmt, die in nützliche Arbeit umgewandelt wird
Verwendet man den Wert von IMEP, kann eine Beziehung, wie in der graphischen Darstellung von 2 ersichtlich ist, genutzt werden, um einen auf dem IMEP basierenden Ladedruck zu bestimmen. 2 veranschaulicht die stationäre Beziehung zwischen IMEP und dem Ladedruck. Wie man in 2 sieht, besteht eine Abhängigkeit von RPMs. Dies kann adressiert werden, indem eine Familie von Kurven entwickelt wird, um RPM zu variieren, oder eine einzige Beziehung unter Verwendung eines drehzahlkorrigierten IMEP entwickelt wird, die ist gegeben als: IMEPc = IMEP × Alpha × Z (4)wobei IMEP der drehzahlkorrigierte IMEP ist;
IMEP die gemessene IMEP ist;
Alpha eine empirisch bestimmte, für den Motor spezifische Konstante ist; und
Z der Drehzahlkorrekturfaktor ist.
Die Beziehung zwischen der drehzahlkorrigierten IMEP und dem Ladedruck ist in der folgenden Gleichung beschrieben: IMEPc = 12,8 × (P_amb – P_man – 1,47) (5)
Verwendet man Gleichung 5, kann ein vorhergesagter Ladedruck berechnet werden, der näher zum tatsächlichen Wert liegt als derjenige einer aktuellen Ladedruckablesung. Dieser wird dann in Gleichung (1) verwendet, um die erforderliche Drosselfläche zu berechnen. Demge mäß kann die dynamische Drehmomentsteuerung eines ICE verbessert werden.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der gewünschte Ladedruck P_des wie folgt berechnet werden. Unter Verwendung des idealen Gasgesetzes kann die folgende Gleichung angeschrieben werden: P_des = Luft_pro_Zyl × R × T_amb/(eta_vol × V_cyl) (6)wobei P_des der gewünschte Ladedruck ist;
Luft_pro_Zyl die gewünschte Luft-pro-Zylinder des Steuerungssystems ist;
V_cyl das Zylindervolumen ist; und
eta_vol der volumetrische Wirkungsgrad ist.
Bekanntlich ist der volumetrische Wirkungsgrad eta_vol eine starke Funktion der Motordrehzahl und eine schwache Funktion des Ladedrucks. Die vorliegende Erfindung kann in einer Ausführungsform den volumetrischen Wirkungsgrad in einer Tabelle mit Drehzahl- und MAP-Indizes speichern und in einer zweiten Ausführungsform einen momentanen volumetrischen Wirkungsgrad online mit Informationen vom Luftmesser und aus Abschätzungen der Luft-pro-Zylinder berechnen.
Eine unmittelbare Berechnung des volumetrischen Wirkungsgrads basiert auf der folgenden Gleichung: eta_vol = Luft_pro_Zyl_ges/(P_man × V_cyl/(R × T_amb)) (7)
Einsetzen der obigen Gleichung in die Gleichung für P_des erzeugt das folgende Ergebnis: P_des = P_man × (Luft_pro_Zyl/Luft_pro_Zyl_ges) (8)
Gleichung 8 gibt an, dass der gewünschte Ladedruck gleich dem aktuellen Ladedruck ist, der durch das Verhältnis der gewünschten Luft-pro-Zylinder und der momentanen Schätzung der Luft-pro-Zylinder eingestellt wird. Wenn die geschätzte Luft-pro-Zylinder gleich der gewünschten Luft-pro-Zylinder ist, ist daher dieses Verhältnis Eins, und der gewünschte Ladedruck ist gleich dem gemessenen Ladedruck. Zur Implementierung wird der Multiplikator, der definiert ist als: m = Luft_pro_Zyl/Luft_pro_Zyl_ges (9)gefiltert, um eine Einführung von Rauschen in das System zu vermeiden, das sich aus der geschätzten Luft-pro-Zylinder ergibt, und um ein Mittel zum Steuern des dynamischen Ansprechverhaltens des Systems zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln eines gewünschten Drehmoments in eine Drosselfläche, um das gewünschte Drehmoment in einem Verbrennungsmotor zu erzeugen, einschließlich der Schritte eines Umwandelns des gewünschten Drehmoments in einen Wert der Luft pro Zylinder, Umwandelns des gewünschten Drehmoments in einen angegebenen mittleren effektiven Druck, Umwandelns des angegebenen mittleren effektiven Drucks in einen Ladedruck und Umwandelns des Ladedrucks in die Drosselfläche.

Claims

Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend: einen Verbrennungsmotor; einen Ansaugkrümmer, der mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist; einen Ladedrucksensor, der den Ladedruck des Verbrennungsmotors bestimmt; eine Steuereinrichtung zum Steuern des Verbrennungsmotors; wobei das Drehmoment des Verbrennungsmotors unter Verwendung der Luft-pro-Zylinder gesteuert wird; wobei die Luft-pro-Zylinder unter Verwendung eines angegebenen mittleren effektiven Drucks gesteuert wird; wobei die Steuereinrichtung eine Drosselstellung mit einem vorhergesagten Ladedruck in Beziehung setzt; und wobei die Steuereinrichtung den vorhergesagten Ladedruck in Abhängigkeit von dem angegebenen mittleren effektiven Druck bestimmt.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung den vorhergesagten Ladedruck nach der Gleichung IMEP × Alpha × Z = 12,8 × (P_amb – P_man – 1,47)bestimmt, wobei IMEP der angegebene mittlere effektive Druck ist, P_man der vorhergesagte Ladedruck ist, P_amb der Umgebungsdruck ist, Alpha eine empirisch bestimmte, für den Verbrennungsmotor spezifische Konstante ist, und Z ein Drehzahlkorrekturfaktor ist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Achtzylindermotor ist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein obengesteuerter Motor ist.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Motor mit obenliegenden Nocken ist.
Verfahren zum Umwandeln eines gewünschten Drehmoments in eine Drosselfläche, um das gewünschte Drehmoment in einem Verbrennungsmotor zu erzeugen, mit den Schritten: Umwandeln des gewünschten Drehmoments in einen gewünschten Wert der Luft pro Zylinder; Umwandeln des gewünschten Wertes der Luft pro Zylinder in einen angegebenen mittleren effektiven Druck; Umwandeln des angegebenen mittleren effektiven Drucks in einen vorhergesagten Ladedruck; und Umwandeln des vorhergesagten Ladedrucks in die Drosselfläche.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zum Umwandeln eines gewünschten Drehmoments in einen Wert der Luft pro Zylinder ein Abbilden des gewünschten Drehmoments auf einen Wert der Luft pro Zylinder in einer Steuereinrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner gekennzeichnet durch den Schritt eines Positionierens einer Drossel, um eine gewünschte Drosselfläche zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln des angegebenen mittleren effektiven Drucks in den vorhergesagten Ladedruck nach der Gleichung IMEP × Alpha × Z = 12,8 × (P_amb – P_man – 1,47)erfolgt, wobei IMEP der angegebene mittlere effektive Druck ist, P_man der vorhergesagte Ladedruck ist, P_amb der Umgebungsdruck ist, Alpha eine empirisch bestimmte, für den Verbrennungsmotor spezifische Konstante ist, und Z ein Drehzahlkorrekturfaktor ist.