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DE19740914A1 - Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft - Google Patents

Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft

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Publication number
DE19740914A1
DE19740914A1 DE19740914A DE19740914A DE19740914A1 DE 19740914 A1 DE19740914 A1 DE 19740914A1 DE 19740914 A DE19740914 A DE 19740914A DE 19740914 A DE19740914 A DE 19740914A DE 19740914 A1 DE19740914 A1 DE 19740914A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
throttle valve
equation
punkt
volume
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19740914A
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English (en)
Inventor
Ernst Wild
Lutz Reuschenbach
Nikolaus Dr Benninger
Werner Hess
Hong Dr Zhang
Georg Mallebrein
Harald Von Dr Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to JP54106198A priority patent/JP2001516421A/ja
Priority to DE59809586T priority patent/DE59809586D1/de
Priority to PCT/DE1998/000862 priority patent/WO1998044250A1/de
Priority to US09/402,321 priority patent/US6588261B1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01M15/042—Testing internal-combustion engines by monitoring a single specific parameter not covered by groups G01M15/06 - G01M15/12
    • G01M15/048—Testing internal-combustion engines by monitoring a single specific parameter not covered by groups G01M15/06 - G01M15/12 by monitoring temperature
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von der DE 32 38 190 C2. Diese be­ trifft ein "Elektronisches System zum Steuern bzw. Regeln von Betriebskenngrößen einer Brennkraftmaschine". Im einzel­ nen geht es darum, auf der Basis von Drehzahl und Luftdurch­ satz im Ansaugrohr den Druck im Ansaugrohr zu bestimmen bzw. umgekehrt auf der Basis von Drehzahl und Druck den Luft­ durchsatz. Die dort angegebene Lehre macht gezielt Gebrauch von physikalischen Zusammenhängen, die im Luftansaugrohr ab­ laufen, mit dem Ziel einer optimalen Steuerung der Brenn­ kraftmaschine.
Das bekannte System ist bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen nicht anwendbar, weil dort aufgrund der Ladungsvorgänge zu­ sätzliche physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft abhängig von Größen wie Drehzahl, Luftdurchsatz im Ansaugrohr, Drosselklappenstellungswerten und Temperatur zu schaffen, welche die physikalischen Vor­ gänge bei mit Lader betriebenen Brennkraftmaschinen umfas­ send berücksichtigt.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Einrichtung nach dem Hauptanspruch.
Mit dieser erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, die physikalisch richtigen oder zumindest angenäherten Verhält­ nisse, die im Saugrohr einer Brennkraftmaschine mit Lader ablaufen, zu erfassen, und nachfolgend die Kraftstoffmengen­ bestimmung darauf abzustellen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen sowie dem im folgenden näher be­ schriebenen und erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im nachfolgenden näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Übersichtsschaubild einer Brennkraft­ maschine mit Lader, Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Bestimmung der relativen Füllung pro Hub (rl) ausgehend von normierten Größen für Drosselklappenwinkel, Temperatur der Ansaugluft vor Drosselklappe, Massestrom über den Heißfilmluftmassen­ messer (HFM) sowie der Drehzahl, Fig. 3 eine Blockdarstel­ lung bezüglich der Berechnung des Massenstromes über die Drosselklappe.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
Fig. 1 zeigt in grober Übersichtsdarstellung die Eingangs­ seite einer Brennkraftmaschine mit Lader. In Stromrichtung gesehen umfaßt das Luftansaugrohr einen Heißfilmluftmassen­ messer 10 (HFM), einen Lader bzw. Verdichter 11, eine Dros­ selklappe 12 sowie ein Einlaßventil 13 der Brennkraftmaschi­ ne 14. Für das Verständnis der Erfindung ist noch ein Volu­ men 16 zwischen dem Lader 11 sowie der Drosselklappe sowie ein weiteres Volumen 17 zwischen Drosselklappe und Einlaß­ ventil 13 wichtig. Die Brennkraftmaschine selbst besitzt pro Zylinder einen Kolben 18, dessen Tief-Stellung das Hubvolu­ men 19 charakterisiert.
Eine Betrachtung von Fig. 1 verdeutlicht, daß die Verhält­ nisse im Ansaugrohr sich kennzeichnen lassen über
  • - eine Absauggleichung der Brennkraftmaschine (Luftfluß) durch das Einlaßventil 13,
  • - eine Bilanzgleichung der Füllung im Saugrohr zwischen Drosselklappe und Einlaßventil (Volumen 17),
  • - eine Durchflußgleichung an der Drosselklappe 12, sowie
  • - eine Bilanzgleichung im Volumen 16 zwischen Lader 11 und Drosselklappe 12.
Dabei liegt den Gleichungen ein Zwei-Massen-Speicher-Modell zugrunde, wobei die zwei Massen-Speicher die Volumina vor und hinter der Drosselklappe (16, 17) angeben.
Als zweckmäßig hat sich erwiesen, daß für die Gleichungen normierte Werte Verwendung finden.
Im einzelnen geht es nun darum, Masseninhalte ml im Volumen 16 vor der Drosselklappe 12 sowie ms im Volumen vs 17 nach der Drosselklappe anzunehmen, die Masseninhalte in Drücke vor und nach der Drosselklappe umzurechnen, und auf der Ba­ sis dieser beiden Drücke Massenströme zu bestimmen, die ih­ rerseits wieder eine Aktualisierung der Masseninhalte erlau­ ben. Dabei haben die einzelnen Berechnungen in Iterations­ prozessen mit Annahmen für die Ausgangsdaten zu erfolgen.
Einzelheiten bei den Berechnungsschritten zeigen die Fig. 2 und 3.
In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Bestimmung der relati­ ven Füllung pro Hub (rl) dargestellt, ausgehend von normier­ ten Größen für Drosselklappenwinkel, Temperatur der Ansaug­ luft vor Drosselklappe, Massesstrom über den Heißfilmluft­ massenmesser (HFM) sowie der Drehzahl. Mit 20 ist ein Block für die Berechnung des Drosselklappen-Durchflusses darge­ stellt, der die Durchflußgleichung über die Drosselklappe symbolisiert. Seine Eingangsgrößen sind die modellierte Grö­ ße des Saugrohdruckes ps, des gemessenen Winkels der Dros­ selklappe bezogen auf ihren Anschlag (wdkba), einem normier­ ten Faktor ftvdk, der sich auf die gemessene Temperatur der Ansaugluft vor der Drosselklappe bezieht, einem modellierten Druck (pvdk) vor der Drosselklappe sowie der Drehzahl (n). Ausgangsseitig ergibt sich die relative Luftmasse pro Hub über die Drosselklappe (rlroh). Es folgt eine Differenzbil­ dungsstelle 21 und danach ein Integrator 22, wobei beide die Bilanzgleichung für den Druck im Saugrohr repräsentieren. Ausgangsseitig des Integrators 22 steht das Signal ps zur Verfügung, das sowohl Block 20 als auch einer Kennlinie 23 als Eingangsgröße dient. Die Kennlinie 23 stellt mit ihrem Zusammenhang zwischen ps und der relativen Füllung pro Hub rl die Absauggleichung des Brennraumes dar. Das Ausgangs­ signal rl wird ergänzend auf die Differenzbildungsstelle 21 zurückgeführt.
Die Bilanzgleichung im Volumen vor der Drosselklappe wird mittels einer Differenzbildungsstelle 25 zusammen mit einem nachfolgenden Integrator 26 realisiert. Die additive Ein­ gangsgröße der Differenzbildungsstelle 25 ist ein Signal rlhfm der relativen Füllung über dem HFM, wobei dieses Si­ gnal einem Divisionsblock 27 entstammt, dessen Eingangsgrö­ ßen das HFM-Signal (Massenstrom HFM, mshfm) sowie ein mit einem Faktor KUMSRL (Kostante für Umrechnung von Massestrom in relative Luftfüllung im Brennraum) multipliziertes Dreh­ zahlsignal n bilden. Die Ausgangsgröße des Integrators 26 stellt das Signal pvdk (Druck vor Drosselklappe) dar und bildet die entsprechende Eingangsgröße des Blockes 20.
Eine Realisierung des Blockes 20 von Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt.
Einem Eingang 30 für die Größe wdkba folgt eine Ventilkenn­ linie 31, die ausgehend vom normierten Winkelsignal wdkba ein Signal bezüglich eines normierten Massenstromes msndk über die Drosselklappe bildet. Diese Normierung gilt u. a. für eine Lufttemperatur von 273° Kelvin sowie einem Druck vor Drosselklappe von 1013 hPa. Es folgen Multiplikations­ stellen 32 mit dem weiteren Eingangssignal ftvdk, 33 mit dem Signal fpvdk sowie 34 mit dem Ausgangssignal einer Kennlinie 35, deren Eingangsgröße das Divisionsergebnis zwischen dem modellierten Druck ps sowie dem modelierten Druck pvdk ist (Block 36). Zweites Eingangssignal der Multiplikationsstelle 33 ist fpvdk als dem Ergebnis einer Division der Eingangs­ größe pvdk dividiert durch einen Normdruck von 1013 hPa (Block 37). Das Ausgangssignal msdk (Massestrom über die Drosselklappe) der Multiplikationsstelle 34 erfährt nachfol­ gend in einem Block 38 eine Division mit dem Produkt aus der Drehzahl n sowie dem Faktor KUMSRL. Das Divisionsergebnis stellt das Signal rlroh als dem relativen Füllungswert über die Drosselklappe dar.
Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten gilt im Stationär­ betrieb rlhfm = rlroh = rl, d. h. der vom HFM gemessene Luft­ massenstrom entspricht dem Massenstrom über die Drosselklap­ pe und dem Massestrom in den Brennraum. Im Instationärfall kommen die Integratoren zum Tragen, die die einzelnen Luft­ massenspeicher nachbilden.
Im einzelnen kommen folgende Gleichungen zur Anwendung:
Absauggleichung der Brennkraftmaschine
allgemein:
ma_Punkt = (ps-pirg).n.(VH/2)/(R.Ts)
mit
ma_Punkt = vom Brennraum abgesaugter Luftmassenstrom
Ps = Saugrohrdruck
pirg = durch Restgas im Brennraum verursachter Partialdruck
n = Drehzahl
VH = Motorhubvolumen
Ts = Gastemperatur im Saugrohr.
Umrechnung von Massenstrom ma_Punkt auf Luftmasse ma im Brennraum mit Division durch die Drehzahl n:
ma = Luftmasse im Brennraum
= ma_Punkt/n
= (ps-pirg).(VH/2)/(R.Ts.
Für das Steuergerät wird mit normierten Größen gearbeitet:
Normluftmasse im Brennraum
m_n norm = (Pn.VH/2)/(R.Tn).
Definition von rl als der relativen Luftfüllung im Brenn­ raum:
rl = ma/m_norm
= (ps-pirg).Tn/(Pn.Ts)
unter den Normbedingungen: Tn = 273K, Pn = 1013hPa
mit
fupsrl = Faktor für Umrechnung von Druck im Saugrohr in relative Luftfüllung im Brennraum
= Tn/(pn.Ts)
ergibt sich die Absauggleichung in Steuergeräte-Größen zu:
rl = (ps-pirg).fupsrl
Bilanzgleichung für die Füllung im Saugrohr
(Volumen
17
)
allgemein (realisiert durch die Additionsstelle
21
mit nach­ folgendem Integrator
22
):
d(ms)/dt = mdk_Punkt-ma_Punkt.
Mit normierten Steuergrößen
d(ms/m_norm)/dt = (mdk_Punkt-ma_Punkt)/m_norm
und
rl_Punkt = ma_Punkt/m_norm und
rlroh_Punkt = mdk_Punkt/m_norm
gilt:
d(ms/m_norm)/dt = rlroh_Punkt-rl_Punkt.
Den Zusammenhang zwischen Luftmasse ms im Saugrohr und dem Saugrohrdruck ps liefert die Gasgleichung
ps.Vs = ms.R.Ts.
Aufgelöst nach ms folgt
ms = (ps.Vs)/(R.Ts).
Bezogen auf Normmasse ergibt sich
ms/m_norm = ((ps.Vs)/(R.Ts)).((R.Tn)/(Pn.VH/2)) = (ps.Vs.Tn)/(Pn.VH/2.Ts).
Eingesetzt in die normierte Bilanzgleichung gilt
d.((ps.Vs.Tn)/(Pn.VH/2.Ts))/dt = (rlroh_Punkt-rl_Punkt)
daraus folgt:
d.ps/dt = (rlroh_Punkt-rl_Punkt).((VH/2.Ts.Pn)/(Vs.Tn)).
Mit
rl_Punkt = rl.n
und
rlroh_Punkt = rlroh.n
ergibt sich
d.ps/dt = ((VH/2.Ts.Pn.n)/(Vs.Tn)).(rlroh-rl).
Schließlich erhält man mit der Substitution
KIS = Integrationskonstante für Saugrohrmodell
= (VH/2.Ts.Pn.n)/(Vs.Tn)
die Steuergeräte-Gleichung in Differentialform
d.s/dt = KIS.(rlroh-rl)
und in Integralform
ps = KIS.Integral ((rlroh-rl).dt
Durchflußgleichung für die Drosselklappe
(Block
20
, Einzelelemente der
Fig.
3) allgemein:
msdk(wdkba) = pvdk.(1/(R.Tvdk))..(1/2).Adk(wdkba).my.Xi (Ps/pvdk).k
mit
msdk: Massenstrom über die Drosselklappe
wdkba: Drosselklappenwinkel bezogen auf Anschlag
pvdk: Druck vor Drosselklappe
Tvdk: Temperatur vor Drosselklappe
Adk: Öffnungsquerschnitt der Drosselklappe
my: Reibungsbeiwert
Xi: Ausflußkennlinie.
Die Drosselklappe wird abhängig vom Drosselklappenwinkel un­ ter Normbedingungen vermessen:
msndk(wdkba) = pn.(1/(R.Tn))..(1/2).Adk(wdk).my.Xi(psn/pvdk).k.
Der Quotient msdk(wdkba)/msndk(wdkba) aus beiden Gleichungen ergibt mit den Substitutionen
fpvdk = pvdk/Pn
ftvdk = (Tn/Tvdk)..(1/2)
KLAF = Xi(ps/pl)/Xi(psn/pl)
psn = Normdruck hinter der Drosselklappe
die Abhängigkeit:
msdk(wdkba) = msndk(wdkba).ftvdk.fpvdk.KLAF.
Damit ergibt sich der Wert für rlroh am Ausgang der Divisionsstelle 38 von Fig. 3 zu
rlroh = msdk/(n.KUMSRL)
mit
KUMSRL = Umrechnungskonstante
Bilanzgleichung im Volumen 16 zwischen Drosselklappe und Lader
(Additionsstelle
25
und Integrator
26
von
Fig.
3 allgemein:
d(ml)/dt = mhfm_Punkt - mdk_Punkt
Mit normierten Steuergrößen gilt
d(ml/m_norm)/dt = (mhfm_Punkt-mdk_Punkt)/m_norm.
Wird
rlhfm_Punkt = mhfm_Punkt/mnorm
und
rlroh_Punkt = mdk_Punkt/m_norm
gesetzt, folgt:
d(ml/m_norm)/dt = rlhfm_Punkt-rlroh_Punkt.
Den Zusammenhang zwischen Luftmasse ml im Ladevolumen und dem Ladedruck pl liefert die Gasgleichung
pl.Vl = ml.R.Tl.
Aufgelöst nach ml folgt
ml = (pl.Vl)/(R.Tl).
Bezogen auf Normmasse ergibt sich
ml/m_norm = ((pl.Vl)/(R.Tl)).((R.Tn)/(Pn.VH/2))
= (pl.Vl.Tn)/(Pn.VH/2.Tl).
Eingesetzt in die normierte Bilanzgleichung
d(ml/m_norm)/dt = rlroh_Punkt-rl_Punkt
und aufgelöst nach d(pl)/dt folgt
d(pl)/dt = (rlroh_Punkt-rl_Punkt)/(VH/2.Tl.Pn)/(Vl.Tn).
Mit rlhfm_Punkt = rlhfm.n
und rlroh_Punkt = rlroh.n
sowie der Substitution
KIL = Integrationskonstante für Ladevolumen
= (VH/2.Tl.Pn.n)/(Vl.Tn)
erhält man die Steuergeräte-Gleichung in Differentialform
d(pl)/dt-KIL.(rlhfm-rlroh)
und in Integralform
pl = KIL.Integral (rlhfm-rlroh ).dt

Claims (5)

1. Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft abhängig von Größen wie Drehzahl, Luftdurchsatz im Ansaugrohr, Drossel­ klappenstellungswerten und Temperatur, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens die folgenden physikalischen Zusammenhänge in die Bestimmung mit einbezogen werden:
  • - Absauggleichung der Brennkraftmaschine
  • - Bilanzgleichung der Füllung im Saugrohr
  • - Durchflußgleichung an der Drosselklappe
  • - Bilanzgleichung im Volumen zwischen Drosselklappe und Lader.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Gleichungen ein Zwei-Massen-Speicher-Modell zugrunde liegt (Massen in den Volumen vor und nach der Drosselklappe 12).
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gleichungen normierte Werte Verwendung finden.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen Berechnungen in Iterations­ prozessen mit Annahmen für die Ausgangsdaten erfolgen.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Rahmen der Berechnung des Drosselklappendurchflusses (Durchflußgleichung Drosselklappe, 20) zwei modellierte Druckwerte Verwendung finden, die sich aus der Bilanzglei­ chung im Volumen vor der Drosselklappe (25, 26) und aus der Bilanzgleichung im Saugrohrvolumen (17, 21, 22) ergeben.
DE19740914A 1997-04-01 1997-09-17 Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft Withdrawn DE19740914A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19740914A DE19740914A1 (de) 1997-04-01 1997-09-17 Einrichtung zum Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine mit Lader gelangenden Luft
EP98925436A EP1015746B1 (de) 1997-04-01 1998-03-24 Einrichtung zum bestimmen der in die zylinder einer brennkraftmaschine mit lader gelangenden luft
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