Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms nach dem Differenzdruckverfahren an einem Verbrennungsmotor, wobei zur Berechnung eines Massenstromsignals ein Massenstrommesser vorzugsweise als Kombination aus einem oder mehrerer Sensoren für Differenzdruck, Absolutdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Gaszusammensetzung und einer Recheneinheit besteht. Das Massenstromsignal wird von der Auswerteeinheit aus den Sensormesswerten errechnet und gefiltert wobei das gefilterte Massenstromsignal an die Motorsteuerung gesendet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Massenstroms in einem Verbrennungsmotor, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit eine Schnittstelle zu einem Datenbussystem einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors umfasst.

Massenstrommesser, die in Verbrennungsmotoren die Luftmasse oder die Abgasmasse (EGR), messen, haben mit einer Vielzahl von Störgrößen zu kämpfen. Die Gasmassenströme in Verbrennungsmotoren unterliegen massiven Druck- und Durchflussschwankungen, sogenannten Pulsationen sowie schnellen Änderungen der Temperatur und Zusammensetzung. Je näher die Messung am Zylinder erfolgt, desto höher sind diese Pulsationen und Messwertschwankungen. Besonders die Messung von Abgas, dass der Verbrennungsluft wieder zugeführt werden soll, die Abgasrückführung (ARG oder EGR genannt), erweist sich in dieser Hinsicht als sehr schwierig.

Die AGR und die Verbrennungsluft werden an vielen Verbrennungsmotoren nach dem Differenzdruckprinzip gemessen. Beim Differenzdruckprinzip wird kinetische Energie also die Strömungsgeschwindigkeit, in potentielle Energie, also in ein Druckgefälle (Differenzdruck) umgewandelt. Der gemessene Differenzdruck ist somit ein Maß für die Fließgeschwindigkeit des Massenstroms. Wegen der quadratischen Charakteristik der kinetischen Energie, ist das erzeugte Druckgefälle insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten des Massenstroms und damit einhergehender geringer Durchflüsse sehr klein.

Ungünstigerweise sind am Verbrennungsmotor, insbesondere bei kleinen Durchflüssen der AGR/EGR, auch noch die Druck- und Durchflusspulsationen sehr hoch. Aufgrund der niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, die unter Umständen auch noch mit hohen Lastwerten kombiniert sind, entstehen besonders markante Pulsationen. Das Nutzsignal / Störsignal-Verhältnis ist daher für Messungen nach dem Differenzdruck (dp) an diesen Punkten sehr ungünstig. Dies wird aktuell versucht durch geeignete Filter zu egalisieren, mit denen das Messsignal gedämpft wird.

Derartige Filterungen und die ihnen zu Grunde liegenden Filterparameter sind bei der Differenzdruck-Messung sehr komplex und beziehen sich insbesondere auf die Filterung von Absolutdruck (pabs), Differenzdruck (dp), Temperatur (temp) und Gaszusammensetzung vor und nach der Massenstromberechnung und auf die Filterung des berechneten Massenstromsignales und der errechneten Mediumsdichte. Abhängig von Art, Frequenz und Flöhe der Pulsationen wird ein optimales Messergebnis durch unterschiedliche Filterungen erzielt. Ein solcher multipolarer Filter, welcher auf die aktuelle Pulsationscharakteristik die Motors angepasst wird, hat gegenüber einem Festfilter deutliche Vorteile.

Ein muitipolarer Filter führt eine selbstadaptive Filterung durch, deren Ergebnis von der Messdynamik abhängt: Um eine optimal Regelgüte zu erzielen, muss der multipolare Filter auf die aktuelle Messsituation angepasst werden. Dies kann durch eine intelligente Analyse der Pulsationen der aktuellen Messwerte geschehen (dp, pabs, temp, Gaszusammensetzung). Flierzu wird insbesondere die Pulsationshöhe und Frequenz der Rohmesswerte analysiert und daraus dann die Filterparameter für die verschiedenen Filter optimiert. Nachteil der selbstadaptiven Filterung ist die Tatsache, dass zunächst eine Anzahl von durch die Ventilöffnungen im Zylinder bedingte Pulsationen analysiert werden müssen, um neue Filterparameter zu ermitteln. Dies sind typische 2-3 Zündzeitpunkte aller Zylinder oder 4-6 Motorumdrehungen (bei z.B. 800 u/min entsprechen 4 Umdrehungen 300 mS). Insbesondere bei dynamischen Lastwechselbetrieb und niedrigen Drehzahlen, wie dies bei Nutzfahrzeugmotoren häufig der Fall ist, kann dies zu langsam sein, um im Lastwechselfalt eine ausreichende Regelgüte zu erreichen.

Zur emissionsoptimalen Steuerung von Verbrennungsmotoren sind jedoch eine hohe Genauigkeit der Luftmassenmessung, eine hohe Signalgüte und Stabilität der Messwerte bei gleichzeitig hoher Messdynamik erforderlich. Nach dem aktuellen Stand der Technik schließen sich diese Messparameter aber gegenseitig aus. Ein schlechtes Signal / Rauschen -Verhältnis führt zu schlechten Genauigkeiten, eine hohe Dämpfung und damit Regelgüte führt zu niedriger Signaldynamik.

Diese Anmeldung stellt sich die Aufgabe, die Steuerung von Verbrennungsmotoren zu optimieren. Hierzu schlägt sie ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Massenstrommesser gemäß Anspruch 6 vor. Einige bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem die Filterparameter der Auswerteeinheit auf eine Messsituation abgestimmt werden, wobei in einer ersten Messsituation die Filterparameter anhand einer Analyse von Pulsationen der aktuellen Messwerte gesetzt werden und wobei in einer zweiten Messsituation die Filterparameter anhand von der Motorsteuerung übertragener aktueller Zustandsdaten des Verbrennungsmotors gesetzt werden. Ein weiterer wesentlicher Grundgedanke ist es, einen Massenstrommesser zur Bestimmung des Massenstroms in einem Verbrennungsmotor vorzuschlagen, bei dem die Filterparameter des Massenstromsignals auf Basis von Zustandsdaten des Verbrennungsmotors bestimmt sind, welche in der Motorsteuerung vorliegen. Eine solcher Massenstrommesser weist vorzugsweise eine Kombination aus einem oder mehrerer Sensoren für Differenzdruck, Absolufdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Gaszusammensetzung und einer Auswerteinheit auf. Die Gaszusammensetzung kann alternativ oder ergänzend dazu von der Auswerteinheit auch aus einem Modell errechnet werden, welches die EGR Rate aus einen Verhältnis von EGR Masse zu Luftmasse bestimmt.

Diese Grundgedanken ermöglichen eine zweite Messsituation für die Bestimmung des Massenstroms vorzusehen, bei der ein motordynamisch adaptiver Filter eingesetzt wird. In der zweiten Messsituation werden keine Filterparameter vom Sensor selbstadaptiv ermittelt, sondern durch ein vom Verbrennungsmotor, insbesondere von der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors übertragenes Zustands-Signal optimiert. Im Moment des Last- oder Drehzahlwechsels kann also der Sensor sofort die Filterparameter neu und optimal setzen. Dadurch ist auch in der zweiten Messsituation eine optimale Regelgüte der Messwerte gewährleistet.

Diese Merkmale ermöglichen einen intelligenten Massenstrommesser, der zumindest den Druck, die Temperatur und den Differenzdruck intern misst und mit der Motorsteuerung (ECU) des Verbrennungsmotors über einen Datenbus insbesondere digital, beispielsweise per CAN-BUS kommuniziert. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit sendet nicht nur ihre Messwerte an die ECU, sondern erhält von dieser auch relevante Motorkenndaten respektive Zustandsdaten, dies sind beispielsweise, Motordrehzahl, Last, Klappenstellung des EGR- bzw. des Drosselventils. Mit einem Zustands-Signal respektive Zustandsdaten des Verbrennungsmotors sind demzufolge Daten des Verbrennungsmotors umfasst, die dessen gegenwärtigen Zustand betreffen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betreffen diese Signale oder Daten auch unmittelbar bevorstehende Zustandsänderungen des Verbrennungsmotors, beispielsweise bedingt durch gegenwärtig an den Verbrennungsmotor gegebene Steuerungssignale, welche eine Zustandsänderung des Motors zur Folge haben werden (z.B. Lastabruf durch den Fahrer). Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors ist es vorteilhaft, wenn die von den Sensoren gemessenen Werte vor der Berechnung des Massenstromsignals gefiltert werden und das Ergebnis der Massenstromberechnung einer weiteren Filterung unterzogen wird. Dies ermöglicht es, ein für die Regelung stabiles Signal zu generieren.

Neben der Messung von Durchflüssen, gibt es auch die Möglichkeit, solche Durchflüsse (egal ob EGR oder Luft) durch Motormodelle zu simulieren, sogenannte Befüllmodelle. Dies ist für die Motorsteuerung schwierig, weil sich die Motorcharakteristik im Betrieb ändert. Insbesondere die Alterung von EGR-Kühlern und auch der Verschleiß an Zylindern und Dichtungen lassen das Befüllmodell zusehend schlechter werden. Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit eröffnet aber die Möglichkeit, ein Befüllmodell zu integrieren und dieses kontinuierlich zu adaptieren. Ein Befüllmodell ist insbesondere da interessant, wo die Auswerteeinheit selber schlecht funktioniert, also z.B. bei kleinen Durchflüssen und hohen Pulsationen aufgrund von beispielsweise niedriger Drehzahl, hoher Last, bzw. einem ungünstigen Signal/Rauschen-Verhältnis. Hier kann die Auswerteeinheit auf ein Last/DrehzahlA/entilposition-basiertes Modell umschalten.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn das Befüllmodell an einen Verschleiß von Komponenten des Verbrennungsmotors angepasst wird. Für diese Messsituation kann sich die Asuwerteeinheit idealerweise selber auf Basis der gewonnen Daten im günstigen Lastbereich, wie beispielsweise hoher Drehzahl und hoher Last optimieren und im Betrieb des Fahrzeuges auch kontinuierlich auf die sich durch Alterung ändernde Motorcharakteristik adaptieren.