DE102007012340B3

DE102007012340B3 - Verfahren zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms im Saugrohr eines Verbrennungsmotors sowie zugehöriges Steuergerät

Info

Publication number: DE102007012340B3
Application number: DE102007012340A
Authority: DE
Inventors: Johannes Beer; Rainer Hannbeck Von Hanwehr; Bernhard Klingseis; Markus Teiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2027-03-15

Abstract

Zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms (AMF) im Saugrohr (IM) eines Verbrennungsmotors (COE) wird in einem Steuergerät (ECU) über ein Luftmassenstrommodell (MO) ein Modellluftmassenstrom (AMF) modelliert und dieser mit mindestens einem durch Messung im Luftansaugtrakt (IS) vor dem Saugrohr (IM) bestimmten Luftmassenstrom (AMI) dadurch abgeglichen, dass die Regelabweichung (CE) zwischen dem Modellluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) in einem einzigen Abgleichszweig (CC) mit Hilfe einer generalisierten Adaption (GA), die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell eine Regelabweichung (CE) zwischen dem Modellluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) ausgeglichen werden soll, beaufschlagt und eine Adaptionszielgröße (ADgen) erzeugt wird, und dass die jeweilig ausgegebene Adaptionszielgröße (ADgen) der generalisierten Adaption (GA) mittels einer nachfolgenden Adaptionswerttransformation (AT) im selben Abgleichszweig (CC) auf eine physikalische Größe (ADtrans) des Saugrohrs (IM) transformiert wird.

Description

Eine zentrale Kenngröße zum verbrauchs- und vor allem emissionsoptimalen Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere Ottomotors, stellt der Luftmassenstrom in dessen Saugrohr dar. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Genauigkeit bezüglich der Berechnung bzw. der Erfassung dieses Luftmassenstroms. So wird z.B. bei der DE 10 2005 004 319 A1 der Luftmassenstrom im Saugrohr eines Verbrennungsmotors gemessen als auch aus mehreren Zustandsgrößen berechnet, und aus dem gemessenen und dem berechneten Luftmassenstrom ein Korrekturfaktor für den Messwert des Luftmassenmessers berechnet. Z.B. die EP 0 287 932 31 benutzt zur Ermittlung des Luftmassenstroms im Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors die sogenannte Gleichung von St. Venant. Diese wird auch bei der DE 102 15 361 A1 zur Modellierung eines Massenstroms durch eine Umgehungsleitung zu einem Abgasturbolader herangezogen. In der Praxis wird also der aktuell im Saugrohr fließende Luftmassenstrom in der Motorsteuerung des jeweiligen Verbrennungsmotors mittels eines Luftmassenstrommodells errechnet und der derart ermittelte Modellluftmassenstrom über entsprechende Sensorik im oder am Saugrohr – wie zum Beispiel mit Hilfe eines Heißfilmluftmassenmessers oder Saugrohrdrucksensors – mit der Realität, d.h. insbesondere mit einem durch Messung im Luftansaugtrakt stromaufwärts vor dem Saugrohr erfassten Luftmassenwert oder einem damit korrespondierenden, gemessenen Saugrohrparameter abgeglichen. Dieser Abgleich kann unter einer Vielzahl von Gegebenheiten erschwert sein. So kann ein erheblicher Anpassungsbedarf einer für einen bestimmten Motortyp ermittelten Abgleichsfunktion beispielsweise bei Motorneuentwicklungen, Motorveränderungen oder Motor-Revolutionsstufen bzw. -Evolutionsstufen bestehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Abgleich bzw. eine Abstimmung zwischen einem durch Modellbildung gewonnen Modellluftmassenstrom und einem durch Messung im Luftansaugtrakt vor dem Saugrohr bestimmten Luftmassenstrom in einfacher Weise sowie effizient auch für verschiedene Luftansaugtraktgegebenheiten durchgeführt, sowie ein zugehöriges Steuergerät bereitgestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch folgendes erfindungsgemäße Verfahren gelöst:
Verfahren zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms im Saugrohr eines Verbrennungsmotors, indem in einem Steuergerät über ein Luftmassenstrommodell ein Modellluftmassenstrom modelliert und dieser mit mindestens einem durch Messung im Luftansaugtrakt vor dem Saugrohr bestimmten Luftmassenstrom dadurch abgeglichen wird, dass die Regelabweichung zwischen dem Modelluftmassenstrom und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom in einem einzigen Abgleichszweig mit Hilfe einer generalisierten Adaption, die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell eine Regelabweichung zwischen dem Modelluftmassenstrom und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom ausgeglichen werden soll, beaufschlagt und eine Adaptionszielgröße erzeugt wird, und dass die jeweilig ausgegebene Adaptionszielgröße der generalisierten Adaption mittels einer nachfolgenden Adaptionswerttransformation im selben Abgleichszweig auf eine physikalische Größe des Saugrohrs transformiert wird.
Die Aufgabe wird auch durch folgendes erfindungsgemäße Steuergerät gelöst:
Steuergerät mit mindestens einer Auswerte-/Recheneinheit zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms im Saugrohr eines Verbrennungsmotors, wobei die Auswerte-/Recheneinheit eine Luftmassenstrommodelleinheit zur Modellierung eines Modellluftmassenstroms mittels eines Luftmassenstrommodells aufweist, die derart ausgebildet ist, dass zum Abgleich des Modellluftmassenstroms mit mindestens einem durch Messung im Luftansaugtrakt vor dem Saugrohr bestimmten Luftmassenstrom lediglich ein einziger Abgleichszweig vorgesehen ist, und dass dieser Abgleichszweig eine generalisierte Adaptionseinheit, die zur Beaufschlagung der Regelabweichung zwischen dem Modelluftmassenstrom und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom mit einer generalisierten Adaption dient, die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell die Regelabweichung zwischen dem Modellluftmassenstrom und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom ausgeglichen werden soll, und eine nachgeordnete Adaptionswerttransformationseinheit aufweist, die der Transformation der jeweilig ausgegebenen Adaptionszielgröße der generalisierten Adaption auf eine physikalische Größe des Saugrohrs dient.
Dadurch, dass lediglich ein einzelner, d.h. einziger Abgleichszweig bzw. Abgleichskreis für die Anpassung bzw. Adaption des durch Modellbildung gewonnenen Modellluftmassenstroms an den sich im Saugrohr des Verbrennungsmotors real, d.h. tatsächlich einstellenden Luftmassenstrom verwendet wird, und dieser einzelne Abgleichspfad bzw. Adaptionspfad in eine generalisierte Adaption und eine Abgleichs-Stellgrößentransformation aufgeteilt bzw. aufgesplittet wird, lässt sich auch bei verschiedenen Luftansaugtrakt-Gegebenheiten von Verbrennungsmotoren einfach und schnell ein Modellabgleich erreichen. Denn während die generalisierte Adaption lediglich festlegt, wie schnell eine Abweichung zwischen dem modellierten Luftmassenstrom und dem tatsächlichen Luftmassenstrom im Saugrohr korrigiert bzw. kompensiert werden soll, bildet die Adaptionswerttransformation das stationäre Übertragungsverhalten zwischen der ermittelten, ausgegebenen Adaptionszielgröße der generalisierten Adaption auf eine physikalische Größe des Saugrohrs, wie z.B. auf die reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche der Drosselvorrichtung, insbesondere der Drosselklappe, des Saugrohrs nach. Dieses stationäre Übertragungsverhalten ist in vorteilhafter Weise oftmals in Form von gespeicherten Parametern bereits in der Motorsteuerung vorhanden, so dass für die Ermittlung der Adaptionswerttransformation auf diese bereits sowieso vorhandenen Parameter invertiert zugegriffen werden kann. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Adaptionswerttransformation neu abzustimmen. Dadurch ist es möglich, den Abgleich zwischen dem modellierten Luftmassenstrom und dem tatsächlich im Saugrohr fließenden Luftmassenstrom zu simplifizieren. Dies bringt eine Zeitersparnis, Qualitätsverbesserung, sowie verbesserte Übertragbarkeit des Abgleichprozesses für den Luftmassenstrom auf veränderte Gegebenheiten im Luftansaugtrakt von Verbrennungsmotoren wie zum Beispiel bei Motorneuentwicklungen oder Motor-Revolutionsstufen bzw. -Evolutionsstufen bezüglich deren Applikation mit sich.
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung einen beispielhaften Luftansaugtrakt eines Verbrennungsmotors, insbesondere Ottomotors, für den der Luftmassenstrom nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungemäßen Verfahrens ermittelt und geregelt wird,
2 in schematischer Darstellung eine Auswerte-/Recheneinheit im Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors von 1, deren Luftmassenstrommodell lediglich einen einzigen Abgleichszweig mit einer generalisierten Adaption und einer nachfolgenden Adaptionswerttransformation nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet, und
3 in schematischer Darstellung eine Auswerte-/Recheneinheit im Motorsteuergerät, deren Luftmassenstrommodell zwei Abgleichszweige nach einem konventionellen Abgleichsverfahren verwendet.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen beispielhaften Luftansaugtrakt IS eines Verbrennungsmotors COE, insbesondere Ottomotors. Der Verbrennungsmotor COE ist dabei der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber lediglich mit einem seiner Zylinder CY angedeutet. Der Luftansaugtrakt IS umfasst als stromabwärtsseitigen, motornahen Endabschnitt ein Saugrohr IM. Im Rahmen der Erfindung wird also unter dem Saugrohr IM insbesondere der röhrenförmige Abschnitt des Luftansaugtrakts IS zwischen dessen Drosselvorrichtung, insbesondere Drosselklappe TH und dem fingerförmigen Eingangskrümmer jedes Zylinders CY verstanden. Alternativ zur Drosselklappe TH kann auch eine sonstige Drosseleinheit mit gleicher Funktion und Wirkungsweise wie die Drosselklappe zur Regulierung der Durchsatzrate an Frischluft, die am Eingang des Luftansaugtrakts angesaugt wird, vorgesehen sein. Insbesondere kann die Drosseleinheit als sogenannter Impulslader ausgebildet sein. Der Verbrennungsvorgang eines in den jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors eingebrachten Kraftstoff-/Luftgemisches sowie die Emissionszusammensetzung des Abgasstroms EG im Abgastrakt ES des Verbrennungsmotors COE werden dabei mittels eines Motorsteuergeräts ECU kontrolliert und eingestellt. Eine vorgebbare Kraftstoffmenge kann entweder über das Saugrohr IM durch Kanaleinspritzung und/oder durch Direkteinspritzung dem Verbrennungsraum des jeweiligen Zylinders zugemessen bzw. zugeteilt werden. Dabei dient der im Saugrohr IM des Luftansaugtrakts IS jeweilig bereitgestellte Luftmassenstrom zur Einstellung des Verbrennungsverhaltens der in den jeweiligen Zylinder CY des Verbrennungsmotors COE eingebrachten Kraftstoffmenge sowie der Emissionszusammensetzung des Abgasstroms EG, der vom jeweiligen Zylinder in den Abgastrakt ES nach dem jeweiligen Verbrennungsvorgang ausgestoßen wird. Aus diesem Grund wird eine möglichst genaue Kenntnis des Luftmassenstroms gewünscht, der im Saugrohr IM zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Befüllung des jeweiligen Zylinders bereitgestellt wird.
Zur Einstellung des Luftmassenstroms im Saugrohr IM dient eine Drosselklappe TH im Eingangsbereich des röhrenförmigen Saugrohrs IM. Durch Veränderung der Winkelstellung der Drosselklappe TH lässt sich für den angesaugten Frischluftstrom die Durchflussfläche im Eingangsbereich des Saugrohrs IM einstellen. Die Stellung der Drosselklappe TH wird vorzugsweise mit Hilfe eines elektrischen Aktuators AC über eine Steuerleitung L6 durch das Motorsteuergerät ECU entsprechend einer gewünschten Drehmoment- bzw. Lastanforderung reguliert. Das Motorsteuergerät ECU veranlasst hier im Ausführungsbeispiel von 1 über eine Steuerleitung L9 einen Injektor IN zur Kanaleinspritzung einer zur Lastanforderung passenden Kraftstoffmenge in das Saugrohr IM, um eine Zylinderbefüllung vorzubereiten. Es steuert auch das Einlassventil IV des jeweiligen Zylinders CY z.B. entsprechend über eine Nockenwelle an, um es zu öffnen, so dass ein im Saugrohr IM bereitgestelltes Luft-/Kraftstoffgemisch (bei Saugkanaleinspritzung) in den geöffneten Zylinder CY des Verbrennungsmotors COE einströmen kann. In der 1 ist diese Nockenwelle der zeichnerischen Einfachheit halber weggelassen worden. Die Ansteuerung des Einlassventils IV ist in der 1 lediglich durch einen schematischen Wirkpfeil L8 angedeutet. Korrespondierend dazu sorgt das Motorsteuergerät ECU dafür, nach der Durchführung des Verdichtungs- und Arbeitstaktes des jeweiligen Zylinders CY dessen Auslassventil EV im Ausstoßtakt zu öffnen, so dass aus dem Brennraum des Zylinders CY das dort durch den Verbrennungsvorgang erzeugte Abgasgemisch in den Abgastrakt ES als Abgasstrom EG entweichen kann. Die Aktivierung des Auslassventils EV des jeweiligen Zylinders CY ist in der 1 durch einen Wirkpfeil L7 veranschaulicht.
Im Eingangsbereich des Luftansaugtraktes IS wird über einen Luftfilter AF Fischluft angesaugt. Dabei dient die Drosselklappe TH zu dessen Drosselung. Ggf. kann es zweckmäßig sein, stromabwärts betrachtet vor der Drosselklappe TH einen Verdichter vorzusehen. Dieser ist hier im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich eingezeichnet und mit CH bezeichnet. Er kann insbesondere als Turbolader oder Kompressor ausgebildet sein. Mit Hilfe des Verdichters CH ist es ermöglicht, die einströmende Frischluft zu verdichten bzw. zu komprimieren. Dabei kann es vorteilhaft sein, dem Verdichter CH im Luftansaugtrakt IS eine Ladeluftkühleinheit CAC nachzuordnen. Die Ansteuerung des Verdichters CH durch das Motorsteuergerät ECU ist in der 1 durch einen Wirkpfeil L2 sowie die Ansteuerung der Ladeluftkühleinheit CAC durch das Motorsteuergerät ECU durch einen Wirkpfeil L3 angedeutet.
Um den Luftmassenstrom AMF im Saugrohr IM hinter der Drosselklappe TH möglich exakt ermitteln zu können, wird bisher ein Luftmassenstrom- Modell MO auf Basis der sogenannten St.Venant-Gleichung verwendet. Sie beschreibt den Durchfluss eines Gases durch eine Drosselstelle einer Röhre. Dabei bildet die Drosselklappe TH diese Drosselstelle. Dem Luftmassenstrommodell MO werden als Eingangsparameter die Gastemperatur T3 des Frischluftstroms im Bereich der Drosselklappe TH, der Adiabatenexponent κ der einströmenden Frischluft, der Druck Pa im Saugrohr IM nach der Drosselklappe TH, und der Druck Pb im Luftansaugtrakt IS vor der Drosselklappe TH zugeführt. 2 zeigt schematisch das Luftmassenstrom-Modell MO einer Luftmassenstrommodelleinheit MML mit diesen Eingangsparametern, das in der Auswerte-/Recheneinheit PU des Motorsteuergeräts ECU von 1 verwendet wird. Zur Bestimmung des Drucks P_b (im Luftansaugtrakt IS in Strömungsrichtung) vor der Drosselklappe TH betrachtet ist dort vorzugsweise ein Drucksensor PSb vorgesehen, der entsprechende Druckmesssignale SPb über eine Messleitung L41 an das Motorsteuergerät ECU liefert. In entsprechender Weise ist nach der Drosselklappe TH stromabwärts betrachtet im Saugrohr IM ein Drucksensor PSa vorgesehen, der Druckmesssignale SP_a über den Druck Pa nach der Drosselklappe TH über eine Messleitung L42 an das Motorsteuergerät ECU übermittelt. Die Temperatur T3 im Bereich der Drosselklappe TH wird vorzugsweise mit Hilfe eines dort angebrachten Temperatursensors TS gemessen und dazu korrespondierende Temperaturmesssignale ST3 über eine Messleitung L5 an das Motorsteuergerät ECU zur Verarbeitung im Luftmassenmodell MO gesendet. Das Massenstrommodell MO berechnet dann nach der sogenannten Gleichung von St.Venant den Modellluftmassenstrom AMF, der über die Drosselklappe TH in das Saugrohr IM strömt, zu:
wobei

– κ der Adiabatenexponent für die Luftmasse im Saugrohr IM,
– R_Abgas die allgemeine Gaskonstante des Abgasstroms EG im Abgasstrang ES des Verbrennungsmotors COE,
– P_b der Druck des Luftmassenstroms vor der Drosselklappe TH des Saugrohrs IM,
– T₃ die Temperatur des Luftmassenstroms im Bereich der Drosselklappe TH des Saugrohrs IM, und Ψ die Psi- Funktion nach der St.Venant-Gleichung mit

Für die Psi- Funktion Ψ ist insbesondere folgende Beziehung definiert:
Der Parameter A_red,DK ist die sogenannte reduzierte Drosselklappenfläche, die sich als Funktion der jeweiligen Winkelstellung THA der Drosselklappe TH ergibt. Nähere Einzelheiten finden sich hierzu im Kapitel 16.8.1 des Fachbuchs „Handbuch Verbrennungsmotor, van Basshuysen/Schäfer, Vieweg Verlag, 3. Auflage 2005.
Diese Modellberechnung für den Luftmassenstrom im Saugrohr wird insbesondere deshalb gemacht, weil eine Direktmessung des Luftmassenstroms im Saugrohr mit zur Verfügung stehenden Luftmassensensoren nur schwierig oder gar nicht möglich ist. Gängige Luftmassensensoren sind nämlich druckempfindlich und würden unter den Druckverhältnissen im Saugrohr nicht richtig oder gar nicht funktionieren.
Der Modellluftmassenstrom AMF wird in der Auswerte-/Recheneinheit PU des Motorsteuergeräts ECU mit dem mittels des Sensors AMS im Luftansaugtrakt IS vor der Drosselklappe TH gemessenen Luftmassenstrom AMI verglichen. Dazu ist nach dem Luftfilter AF und vor dem Verdichter CH ein Luftmassensensor AMS vorgesehen, der die einströmende Luftmasse misst und entsprechende Messsignale SAMS über eine Messleitung L1 an das Motorsteuergerät ECU übergibt. Mittels eines Subtrahiers DIF wird die Differenz zwischen dem gemessenen Luftmassenstrom AMI und dem Modellluftmassenstrom AMF gebildet und als Regelabweichung CE verwendet.
Nach einem bisher verwendeten Regelmechanismus zur möglichst genauen Ermittlung und Einstellung bzw. Einregelung des Luftmassenstroms im Saugrohr, was in der 3 anhand des Abgleichsverfahrens einer Auswerte-/Recheneinheit PU* veranschaulicht wird, wird diese Regelabweichung CE zwei parallelen, separaten Adaptionszweigen bzw. Abgleichszweigen CC1, CC2 als Eingangsparameter zugeführt. Die beiden Adaptionspfade CC1, CC2 sind dabei vom Motorbetriebspunkt OP, d.h. Motordrehzahl und Saugrohrdruck abhängig. Im ersten Adaptionspfad CC1 wird die im Modell verwendete reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche RA additiv und/oder faktoriell durch den ausgegebenen Adaptionswert einer Adaptionseinheit ADA korrigiert. Parallel dazu wird der ins Modell eingerechnete Umgebungsdruck, d.h. Druck P_b vor der Drosselklappe TH über den zweiten Adaptionspfad CC2 mit einer Korrektur ADP berücksichtigt. Je nach Betriebszustand des Motors arbeitet dabei der eine oder der andere Adaptionspfad CC1 bzw. CC2. Der erste Adaptionszweig CC1 ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Motors wie zum Beispiel im Leerlauf aktiviert. Demgegenüber ist der zweite Adaptionspfad CC2 bei höherem Drehmoment- bzw. Lastanforderungen vorrangig aktiv geschaltet. Mit Hilfe des Druckverhältnisses Pb/Pa, d.h. dem Verhältnis des Drucks Pb vor der Drosselklappe zum Druck Pa nach der Drosselklappe lässt sich eine entsprechende Koordination CB bzw. Berücksichtigung der beiden Adaptionspfade CC1, CC2 bewerkstelligen. Ist z.B. das Verhältnis Pb/Pa im Wesentlichen gleich 1, so ist die Drosselklappe TH weit geöffnet. Dies indiziert insbesondere den Leerlauffall des Motors. Dann wird vorzugsweise die Adaption ADA im ersten Abgleichszeig CC1 zur Korrektur der reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche RA berücksichtigt und der daraus gewonnene Adaptionswert ARA zur aus dem Drosselklappenwinkel THA berechneten, reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche RA hinzuaddiert, um eine korrigierte, reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche CRA zu gewinnen. Es wird in diesem Fall also primär ein Abgleich des Differenzwertes CE zwischen dem sensorisch gemessenen Luftmassenstrom AMI und dem Modellmassenstrom AMF durch eine Adaption ADA für die Drosselklappenquerschnittsfläche korrigiert bzw. angepasst. Ist das Verhältnis Pb/Pa wesentlich größer als 1, so indiziert das eine weitgehende Schließstellung der Drosselklappe TH. Daraufhin wird durch die Koordination CB der Adaptionswert APb aus der Adaption ADP für den Druck Pb im Luftansaugtrakt vor der Drosselklappe des zweiten Adaptionspfads CC2 gegenüber dem ersten Adaptionspfad CC1 stärker gewichtet oder ausschließlich aktiv geschaltet. Der ermittelte Adaptionswert AP_b aus der Adaptionseinheit ADP wird auf den gemessenen Druck Pb vor der Drosselklappe aufaddiert und dem Massenstrommodell MO zugeführt.
Bei dem bisher verwendeten Abgleichsprinzip von 3 wird die Stellgröße CE des Abgleichs durch einen Adaptionsalgorithmus errechnet, der zwei parallele, separate Adaptionszweige CC1, CC2 aufweist. Hierbei stützt sich die Adaption maßgeblich auf die Differenz aus sensorisch gemessenem Luftmassenstrom AMI und Modellluftmassenstrom AMF. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Luftmassenstrom im Saugrohr mit Hilfe eines dort platzierten Drucksensors implizit zu errechnen. Die Regelabweichung CE wird bisher oft über verschiedene Korrekturen im Luftmassenstrom eingerechnet. Z.B. wird der im Modell verwendete reduzierte Drosselklappenquerschnitt additiv und/oder faktoriell durch den Adaptionswert ARA korrigiert. Des Weiteren wird parallel der ins Modell eingerechnete Umgebungsdruck Pb additiv über den weiteren Adaptionspfad CC2 mit einer Korrektur APb versehen. Je nach Betriebszustand des Motors arbeitet der eine oder andere Adaptionspfad und dessen damit einhergehende Korrektur der reduzierten Drosselquerschnittsfläche RA oder des Drucks Pb vor der Drosselklappe. Auf Grund des Betriebspunkt- abhängigen Zusammenhangs zwischen Luftmassenstrom und Drosselklappenquerschnitt bzw. Luftmassenstrom und Umgebungsdruck ergibt sich ein erheblicher Anpassungsbedarf der Abgleichsfunktionen bei Motorneuentwicklungen und Motor-Revolutionsstufen oder sonstigen Änderungen der Verhältnisse im Luftansaugtrakt von Verbrennungsmotoren.
Um diesen Anpassungsaufwand zu minimieren und einen möglichst einfachen Modellabgleich sicherstellen zu können, wird nun in vorteilhafter Weise zum Ermitteln des Luftmassenstrom AMF im Saugrohr IM die Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem durch Messung im Luftansaugtrakt vor der Drosselklappe (und damit vor dem Saugrohr) bestimmten Luftmassenstrom AMI in einem einzigen Abgleichskreis bzw. Abgleichspfad CC mit Hilfe einer generalisierten Adaption GA, die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell die Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom AMI ausgeglichen werden soll, beaufschlagt und eine Adaptionszielgröße ADgen erzeugt, sowie die jeweilig ausgegebene Adaptionszielgröße ADgen dieser generalisierten Adaption GA mittels einer nachfolgenden Adaptionswerttransformation AT im selben, d.h. einzigen Abgleichskreis CC auf eine physikalische Größe ADtrans des Saugrohrs IM transformiert. Dies zeigt schematisch die Luftmassenstrommodelleinheit MML von 2. Dort verwendet die Auswerte-/Recheneinheit PU des Motorsteuergeräts ECU lediglich einen einzigen Adaptionspfad CC anstelle zweier paralleler Adaptionspfade CC1, CC2, die das konventionelle Abgleichsverfahren von 3 einsetzt. Der einzige Adaptionspfad CC im Logikablauf der Luftmassenstrommodelleinheit MML der Auswerte-/Recheneinheit PU von 2 umfasst zum einen eine generalisierte Adaption GA zur Beaufschlagung der Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom AMI, die ledig lich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell die Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom AMI ausgeglichen werden soll. Durch die generalisierte Adaption GA wird die Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom AMI vorzugsweise mit einem Verstärkungsfaktor bzw. Korrekturfaktor K beaufschlagt. Zum anderen umfasst der Logikablauf der Auswerte-/Recheneinheit PU von 2 eine dieser generalisierten Adaption GA nachgeordnete Adaptionswerttransformation AT. Mit deren Hilfe wird die Adaptionszielgröße ADgen, die von der generalisierten Adaption GA jeweilig ausgegeben wird, auf einen Korrekturwert ADtrans zur Einregelung einer korrigierten, reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche CRA* als physikalische Größe des Saugrohrs IM transformiert, die als eingangseitige Stellgröße für das Luftmassenstrommodell MO dient. Die Transformation der jeweilig ausgegebenen Adaptionsgröße ADgen der generalisierten Größe GA mittels der nachgeordneten Adaptionswerttransformation AT auf einen Korrekturwert ADtrans zu Einregelung der korrigierten, reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche CRA* wird vorzugsweise nach der Beziehung
durchgeführt, wobei

– κ der Adiabatenexponent für die Luftmasse im Saugrohr IM,
– R_Abgas die allgemeine Gaskonstante des Abgasstroms EG im Abgasstrang ES des Verbrennungsmotors COE,
– P_b der Druck des Luftmassenstroms vor der Drosselklappe TH des Saugrohrs IM,
– T₃ die Temperatur des Luftmassenstroms im Bereich der Drosselklappe TH des Saugrohrs IM, und Ψ die Psi- Funktion nach der St.Venant-Gleichung mit
ist.

Während beim bisher verwendeten Abgleichsverfahren entsprechend der 3 immer beide Adaptionspfade CC1, CC2 bei Motoränderungen oder sonstigen Änderungen im Luftansaugtrakt neu abgestimmt werden müssen, kann beim einzigen Adaptionspfad CC von 2 in der Praxis bereits eine Abstimmung der generalisierten Adaption GA z.B. bei veränderten Motorgegebenheiten ausreichend sein. Denn in der generalisierten Adaption GA wird lediglich das Zeitverhalten abgebildet, d.h. sie definiert, wie schnell eine Massenstromdifferenz bzw. Regelabweichung CE zwischen dem Modellluftmassenstrom AMF und dem gemessenen Luftmassenstrom AMI korrigiert werden soll. Demgegenüber bildet die Adaptionswerttransformation AT das stationäre Übertragungsverhalten zwischen der Regelabweichung und der reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche als physikalische Größe des Saugrohrs nach. Dieses Übertragungsverhalten zwischen der reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche und dem Luftmassenstrom ist aber oft in Form von gespeicherten Parametern bereits in der Motorsteuerung vorhanden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Adaptionswerttransformation AT neu abzustimmen, weil auf diese bekannten Parameter invertiert zugegriffen werden kann. Beispielsweise lässt sich die Adaptionswerttransformation folgendermaßen bestimmen:
Massenstrommodell:
Massenstrom AMF = f (reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche, x₀...x_n), d.h. der Massenstrom durch die Drosselklappe ergibt sich als Funktion f der Drosselklappenquerschnittsfläche sowie weiterer Parameter x₀...x_n _, insbesondere zu:
Adaptionswerttransformation durch Bildung der Inversen f^–1: reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche = f (Massenstrom AMF, x₀...x_n)
Insbesondere gilt dann hier:
Bezogen auf die Signalbezeichnung beim vorliegenden Ausführungsbeispiel von 2 ergibt sich somit:
In der nachgeschalteten Stellgrößentransformation AT wird die Umrechnung von der Zielgröße (hier der Luftmassenstrom) auf die Stellgröße, hier die reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche, vorgenommen, d.h. das physikalische Übertragungsverhalten zwischen diesen beiden Größen wird berücksichtigt. Auf diese Weise ist eine einfache und effiziente Anpassung des Abgleichzweigs bei Änderungen des Verbrennungsmotors, Änderungen des Luftansaugtraktes oder Übertragung auf andere Motortypen möglich. Es kann deshalb Zeit bei der Abstimmung eingespart werden und zugleich die Qualität bei der Ermittlung und Einregelung des Luftmassenstroms im Saugrohr verbessert werden. Insbesondere können bei Motorneuentwicklungen oder Motor-Revolutionsstufen oder sonstigen Änderungen des Luftansaugtrakts bereits bestehende Adaptionsparameter und Adaptionsbeziehungen ohne größere Veränderungen auch bei abgeänderten Motoren oder verschiedenen Luftansaugtrakten weiter verwendet werden, denn der Modellabgleich ist nicht mehr über mehrere unterschiedliche Abgleichszweige, sondern nur über einen einzigen, zentralen Adaptionskreis realisiert.
Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet lässt sich insbesondere folgendes zusammenfassen:
Bei einer bestimmten Drosselklappenstellung THA bzw. einer damit einhergehenden Drosselklappenquerschnittsfläche RA, einem bestimmten Umgebungsdruck Pb und einer bestimmten Stellung von motorhardwarenahen Aktuatoren (z.B. Drall- oder Tumble-Klappen) im Ansaugtrakt, variabler Saugrohr-/Schwingrohrlänge, vorliegender Nockenwellenverstellung, und bei einer bestimmten Motordrehzahl stellt sich ein bestimmter Saugrohrdruck ein (klassische „α/n-Steuerung"). Liegt nun aufgrund der Produktionstoleranzen ein etwas anderer Motor vor, welcher ein unterschiedliches Motordurchsatzverhalten zeigt, als in der Kalibrierung der Motorsteuerung abgelegt ist, kommt es im allgemeinen zu einem vom modellierten Wert abweichenden, unterschiedlichen Saugrohrdruckwert. Diese Abweichung wird vom Programm der Motorsteuerung berechnet und als Regelgröße CE ausgegeben. Wird diese Abweichung CE als Eingangsgröße für eine Korrekturfunktion des Drosselklappenswickels genutzt (Drosselklappenquerschnittskorrektur oder Umgebungsdruckkorrektur), so ergeben sich für die Korrektur des Saugrohrmodells bisher zwei Werte, nämlich eine relative Querschnittsfläche (% von cm²) und ein absoluter Umgebungsdruck (hPa). Ein Problem stellt hierbei die Umrechnung der beiden Regler ADA, ADP (siehe 3) ineinander da. Sie folgen nicht einer einfachen Funktion, welche in einer Motorsteuerung mit vertretbarem Aufwand funktional umgesetzt werden könnte, wenn für alle auftretenden Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur und Luftdruck) maximale Genauigkeit bei der Übergabe erreicht werden soll. Dieses Problem wurde bisher in Bezug auf das Abgleichsprinzip von 3 mit Hilfe einer PT1-Filterung des jeweiligen Reglerausgangs umgangen, jedoch kann mit einem PT1-gefilterten Regler nur noch eine eingeschränkte Dynamik dargestellt werden. Diese Dynamikeinschränkung führt zu einer suboptimalen Ausregelzeit von Re gelabweichungen des Modells MO von 3. Diese führen wieder zu einer für eine unnötig lange Zeit vorhandenen Vorsteuerabweichung der Einspritzmassenberechnung und, während der Einrechung des Modellabweichungswertes in die Drosselklappensollwertbestimmung zu einem nicht exakt eingestellten Saugrohrdruck und damit Motordrehmoment. Bisher wurde die für den Modellabgleich benötigte Größe über ein PT1-Filter in die jeweils andere umgerechnet und zwar über einen konstanten Faktor initialisiert. Daraus ergibt sich wie oben beschrieben ein Dynamiknachteil.
Die vorteilhafte Abgleichsregelung entsprechend der 2 löst das obige Problem insbesondere folgendermaßen: Es wird statt eines Veränderns der jeweiligen Übertragungsfunktion von

a) Drosselklappenwinkel zu Drosselklappenquerschnittsfläche über den Regler bzw. die Adaption ADA, oder bei großen Druckquotienten Pb/Pa
b) durchströmender Luftmasse durch die Drosselklappe pro Umgebungsdruck

Die Basiswerte für die korrigierte, reduzierte Drosselklappenquerschnittsfläche werden hierbei nicht mehr durch zwei, die physikalischen Basisgrößen beeinflussenden „Regler" oder „Beobachter" beeinflusst, sondern mit den jeweils exaktesten verfügbaren Systemgrößen bestimmt. Vor allem wird jetzt die physikalische Drosselklappenquerschnittsfläche und der mit einer hohen Genauigkeit von üblicherweise ca. ± 30hPa verfügbare Umgebungsdruck nicht mehr über einen „Regler" bzw. „Beobachter" beeinflusst.
Diese Bestimmung erfolgt nach der bekannten physikalischen Durchflussfunktion einer Drosselklappe nach St.Venant.
Dabei bezeichnet

– ṁ_thr den Luftmassenstrom durch die Drosselklappe.
– κ der Adiabatenexponent für die Luftmasse im Saugrohr,
– R_air die allgemeine Gaskonstante des Frischluftstroms durch die Drosselklappe,
– P_thr der Druck des Luftmassenstroms vor der Drosselklappe des Saugrohrs,
– T_im die Temperatur des Luftmassenstroms im Bereich der Drosselklappe des Saugrohrs, und Ψ die Psi- Funktion nach der St.Venant-Gleichung mit

Vorteile sind insbesondere:

a) Es ist keine „Reglerübergabe" mehr nötig.
b) Es ist keine Initialisierungsfunktion für die „Reglerübergabe" mehr nötig.
c) Es ist keine Hysterese zwischen den Reglerbereichen mehr nötig.
d) Es ist eine vereinfachte Diagnosefunktion für das Saugrohrmodell möglich (auch Last-Plausibilitätscheck), Diagnosen sind nicht mehr getrennt für beide Pfade nötig.

Es wird hier also eine gemeinsame Größe für den Ausgleich der Systemtoleranzen, die sowohl für den unter- als auch für den überkritischen Bereich verwendbar ist, bereitgestellt. Die bisher verwendeten Reglergrößen ARA, APb mit zwei unterschiedlichen Reglerbereichen können in vorteilhafter Weise entfallen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft an einem druckgeführten (d.h. der Saugrohrmodellabgleich erfolgt über einen Saugrohrdrucksensor) System. Bei Systemen mit einem besonders nichtlinearen Durchsatzverhalten des Motors, vor allem bei sprunghaft sich änderndem Durchsatz (z.B. mit 2-stufig variablem Ventilhub oder während der Umschaltung des variablen Schwingrohrsaugrohres) wäre eine „Reglerübergabe" – wie bisher – mit i.a. nicht kontinuierlichem Verlauf (z. B. wenn eine andere Luftdichte der angesaugten Luft vorliegt) für einen monotonen und gleichmäßigen Motorlauf nicht vorteilhaft, da der Fahrer bei einem konstanten oder quasi-konstanten Momentenwunsch Luftmassen- und damit Motormomentenschwankungen als besonders störend empfinden würde. Demgegenüber entfällt eine solche Reglerübergabe mit ihren Nachteilen nun in vorteilhafter Weise beim Reglersystem von 2.

Claims

Verfahren zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms (AMF) im Saugrohr (IM) eines Verbrennungsmotors (COE), indem in einem Steuergerät (ECU) über ein Luftmassenstrommodell (MO) ein Modellluftmassenstrom (AMF) modelliert und dieser mit mindestens einem durch Messung im Luftansaugtrakt (IS) vor dem Saugrohr (IM) bestimmten Luftmassenstrom (AMI) dadurch abgeglichen wird, dass die Regelabweichung (CE) zwischen dem Modelluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) in einem einzigen Abgleichszweig (CC) mit Hilfe einer generalisierten Adaption (GA), die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell eine Regelabweichung (CE) zwischen dem Modelluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) ausgeglichen werden soll, beaufschlagt und eine Adaptionszielgröße (ADgen) erzeugt wird, und dass die jeweilig ausgegebene Adaptionszielgröße (ADgen) der generalisierten Adaption (GA) mittels einer nachfolgenden Adaptionswerttransformation (AT) im selben Abgleichszweig (CC) auf eine physikalische Größe (ADtrans) des Saugrohrs (IM) transformiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die generalisierte Adaption (GA) die Regelabweichung (CE) zwischen dem Modellluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) mit einem Verstärkungsfaktor (K) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilig ausgegebene Adaptionszielgröße (ADgen) der generalisierten Adaption (GA) auf einen Korrekturwert (ADtrans) zur Einregelung einer korrigierten, reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche (CRA*) als physikalische Größe des Saugrohrs (IM) transformiert wird, die als ein gangsseitige Stellgröße für das Luftmassenstrommodell (MO) dient.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation der jeweilig ausgegebenen Adaptionszielgröße (ADgen) der generalisierten Adaption (GA) mittels der nachgeordneten Adaptionswerttransformation (AT) auf einen Korrekturwert (ADtrans) zur Einregelung der korrigierten, reduzierten Drosselklappenquerschnittsfläche (CRA*) nach der Beziehung
durchgeführt wird, wobei – κ der Adiabatenexponent der Luftmasse im Saugrohr (IM), – R_Abgas die allgemeine Gaskonstante des Abgasstroms (EG) im Abgasstrang (ES) des Verbrennungsmotors (COE), – P_b der Druck des Luftmassenstroms vor der Drosselklappe (TH) des Saugrohrs (IM), – T₃ die Temperatur des Luftmassenstroms im Bereich der Drosselklappe (TH) des Saugrohrs (IM), und – Ψ die Psi- Funktion der St.Venant-Gleichung der Luftmassenmodellierung (MO) mit
ist.
Steuergerät (ECU) mit mindestens einer Auswerte-Recheneinheit (PU) zum Ermitteln und Einregeln des Luftmassenstroms (AMF) im Saugrohr (IM) eines Verbrennungsmotors (COE) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte-/Recheneinheit (PU) eine Luftmassenstrommodelleinheit (LMM) zur Modellierung eines Modellluftmassenstroms (AMF) mittels eines Luftmassenstrommodells (MO) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass zum Abgleich des Modellluftmassenstroms (AMF) mit mindestens einem durch Messung im Luftansaugtrakt (IS) vor dem Saugrohr (IM) bestimmten Luftmassenstrom (AMI) lediglich ein einziger Abgleichszweig (CC) vorgesehen ist, und dass dieser Abgleichszweig (CC) eine generalisierte Adaptionseinheit (GA), die zur Beaufschlagung der Regelabweichung (CE) zwischen dem Modelluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) mit einer generalisierten Adaption dient, die lediglich ein Zeitverhalten beinhaltet, wie schnell die Regelabweichung (CE) zwischen dem Modelluftmassenstrom (AMF) und dem durch Messung bestimmten Luftmassenstrom (AMI) ausgeglichen werden soll, und eine nachgeordnete Adaptionswerttransformationseinheit (AT) aufweist, die der Transformation der jeweilig ausgegebenen Adaptionszielgröße (ADgen) der generalisierten Adaption (GA) auf eine physikalische Größe (ADtrans) des Saugrohrs (IM) dient.