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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizelements
eines keramischen Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
von keramischen Sensoren, insbesondere Lambda-Sonden, müssen diese eine Betriebstemperatur
erreicht haben, die etwa 700° C
entspricht. Da der keramische Sensor nicht in allen Betriebspunkten
der Brennkraftmaschine vom Abgas auf diese Temperatur aufgeheizt
werden kann, weisen derartige Sonden eine eigene Heizung auf die
die Einhaltung der Betriebstemperatur in allen Betriebspunkten ermöglicht.
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Problematisch
ist es nun, dass bei der Verbrennung von Luftkraftstoffgemischen
in Brennkraftmaschinen Wasser entsteht, das bei Temperaturen der
Abgaskanäle
und/oder der dort verbauten Katalysatoren unterhalb von etwa 60° C in flüssiger Form
vorliegt. Rein prinzipiell kann in Katalysatoren Wasser in flüssiger Form
sogar bis 100°C
vorliegen. Darüber
hinaus kondensiert nicht nur die bei der Verbrennung gebildete Wassermenge
aus, sondern auch die aus der Umgebungsluft zugeführte Luftfeuchtigkeit.
Würde derartiges
flüssiges
Wasser auf den keramischen Sensor treffen, könnte dieser zerstört werden,
da sich aufgrund der sofort einsetzenden endothermen Verdampfung
des Wassers schockartig erhebliche zeitliche und örtliche
Temperaturgradienten ergeben und eine keramische Sonde eine erhebliche
Temperaturschockempfindlichkeit aufweist. Für den Einsatz einer derartigen
keramischen Sonde ist es daher von größter Wichtigkeit, dass eine
Beheizung auf Betriebstemperatur erst ab dem Zeitpunkt erfolgt,
in dem kein flüssiges
Wasser mehr im Abgaskanal vorliegt, wenn also anders ausgedrückt das
Taupunktende (TPE) sicher erreicht ist. Insbesondere beim Startvorgang
der Brennkrafmaschine, wenn das Abgassystem noch kalt ist, ist dieser
Betriebszustand noch nicht erreicht. In diesem Zeitpunkt besteht
demnach die Gefahr, dass von vorausgegangenen Betriebszyklen der
Brennkraftmaschine, also von vorausgegangenen Fahrten eines Kraftfahrzeugs
noch Wasser im Abgaskanal enthalten und kondensiert ist. Gleichzeitig
ist mit der Kondensation neu gebildeten Wassers an all den Stellen
zu rechnen, wo Temperaturen kleiner als 60° C im Abgaskanal vorliegen.
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Andererseits
ist es erforderlich, gerade die in der Startphase entstehenden Emissionen
zu minimieren und die Zusammensetzung des Verbrennungsgases so genau
einzustellen, dass durch eine optimale Verbrennung der Schadstoffausstoß auch in
diesem Betriebszustand minimiert wird. Hieraus resultiert das Problem, dass
die Sondenheizung für
einen sicheren Schutz der Sonde möglichst spät freigegeben werden sollte
die Betriebsbereitschaft zur Erzielung der notwendigen Abgasgrenzwerte
dagegen möglichst
früh erreicht
werden sollte.
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Aus
der
DE 43 00 530 A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines Heizelements eines keramischen
Sensors der gattungsgemäßen Art
bekannt geworden, bei welchem zwischen einem ersten Betriebszustand
der Brennkraftmaschine, in dem damit zu rechnen ist, dass im Abgaskanal
der Brennkraftmaschine Flüssigkeit
vorhanden ist und einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine,
in dem nicht damit zu rechnen ist, dass im Abgaskanal der Brennkraftmaschine
Flüssigkeit
vorhanden ist, unterschieden wird und das Heizelement nicht in Betrieb
genommen wird oder das Heizelement so angesteuert wird, dass der
keramische Sensor unterhalb einer kritischen Temperatur betrieben
wird, wenn sich die Brennkraftmaschine im ersten Betriebszustand
befindet. Es werden hierbei verschiedene Lastfälle unterschieden, wie lange
es nach dem Start dauert, bis das flüssige Wasser im System vollständig verdampft
ist. Diese Zeit ist abhängig
vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Bei hoher Abgastemperatur
und hohen Massenströmen
wird das Taupunktende schneller erreicht, als bei kaltem Abgas und
niedrigen Massenströmen,
wobei für
die Verdampfung einer bestimmten Wassermenge unabhängig vom
Betriebspunkt immer eine identische Wärmemenge notwendig ist.
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Als
Maß für die Zeit,
die bis zum Erreichen des Taupunktendes verstreicht, dient somit
die integrale Wärmemenge,
die in ein Abgasrohrstück
eintritt, in dem die Sonde verbaut ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass
die Wärmemenge
für die
Verdampfung des flüssigen
Wassers zur Verfügung
steht. Die Temperatur wird zur Anpassung an reale Bedingungen durch
einen Temperaturoffset zusätzlich
korrigiert. Gemäß den bisher realisierten
Verfahren wird demgemäß die eintretende
Wärmemenge
aufsummiert und mit einem während
der Applikation bestimmten Grenzwert verglichen, der abhängig von
den Starttemperaturen der Brennkraftmaschine und des Abgassystems
in einem Kennfeld abgelegt ist. Überschreitet
die integrale Wärmemenge
diesen bei der Applikation vorbestimmten Grenzwert, wird davon ausgegangen,
dass das Taupunktende erreicht ist. Die Applikation des Grenzwerts
erfolgt dadurch, dass während
des Applikationsvorgangs genau die Wärmemenge protokolliert wird,
bei der sich kein flüssiges
Wasser mehr an der entsprechenden Stelle, an der das Taupunktende
ermittelt werden soll, befindet. Dies kann entweder beispielsweise
mittels eines Stethoskops oder durch Beobachtung des Wandtemperatursignals
der Rohrwand des Abgasrohrs ermittelt werden.
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Aus
der
DE 43 38 342 C2 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines simulierten
Signals bezüglich
der Abgas-, der Abgassonden- oder der Katalysatortemperatur bei
einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, welches von Betriebskenngrößen ausgeht,
wobei als eine der Betriebskenngrößen wenigstens ein Flüssigkeitssignal
berücksichtigt
wird, das angibt, dass mit dem Auftreten von Flüssigkeit im Abgaskanal der
Brennkraftmaschine und/oder im Katalysator zu rechnen ist. Auch
hier wird wie vorstehend beschrieben die integrale Wärmemenge,
die in das Abgasrohrstück
eintritt, in dem die Sonde verbaut ist, bestimmt und diese integrale
Wärmemenge
als Maß für die Zeit,
die bis zum Erreichen des Taupuktendes verstreicht, herangezogen.
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Problematisch
bei diesen Verfahren ist nun, dass die ermittelten Grenzwerte für die integralen
Wärmemengen
abhängig
von den Betriebspunkten eine erhebliche Streuung zeigen, wodurch
sich der Applikationsprozess außerordentlich
erschwert.
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Werden
die Kennfeldeinträge
in die Wärmemengen
während
der Applikation beispielsweise bei Leerlaufbedingungen bestimmt,
zeigt sich, dass diese bei höheren
Massenströmen
im späteren
Betrieb der Brennkraftmaschine modellmäßig viel zu früh erreicht
werden. Das im System enthaltene Wasser ist zu diesem Zeitpunkt
jedoch noch nicht vollständig
verdampft.
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Bestimmt
man umgekehrt die Kennfeldeinträge
bei höheren
Massenströmen,
werden bei kleineren Massenströmen
die Bedingungen für
das Taupunktende modellmäßig erheblich
zu spät
erreicht, obwohl das Wasser im Abgaskanal schon vorher verdampft
ist.
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Um
nun in allen möglichen
Fällen
eine Zerstörung
der keramischen Sonde sicher zu vermeiden, muß in der Regel auf die höchste in
der Applikation bestimmte Wärmemenge
appliziert und mit merklichen Sicherheitsfaktoren gearbeitet werden,
was sich hinsichtlich der Emissionen der Brennkraftmaschine als
negativ erweist und häufig
Probleme bereitet, die geforderten Abgasgrenzwerte zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines Heizelements einer keramischen Sonde dahingehend weiterzubilden,
dass eine genaue Bestimmung des Taupunktendes (TPE) erreicht wird,
ohne dass die vorstehend beschriebenen nennenswerten Sicherheitszuschläge berücksichtigt
werden müssen.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Heizelements
eines keramischen Sensors mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und
3 gelöst.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist Gegenstand
des auf Anspruch 1 rückbezogenen
Unteranspruchs.
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Grundidee
der Erfindung ist es, die Bestimmung des Taupunktendes (TPE) so
zu modifizieren, dass die physikalischen Einflussgrößen korrekt
in der modellmäßigen Beschreibung
berücksichtigt
werden, um so das Erreichen des Taupunktendes zuverlässiger vorauszusagen.
Hierzu wird in einem Modell ein Rohrstück des Abgaskanals betrachtet,
in dem flüssiges
Wasser vorliegt oder beim Startvorgang kondensiert. Aus der Temperatur
des Rohrstücks
wird mittels eines physikalischen Modells der Wärmestrom bestimmt, der von
dem Abgasmassenstrom in dem Rohrstück auf die Rohrwand übergeht.
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Ein
anderes erfindungsgemäßes Verfahren
sieht vor, den Massenstrom so zu erhöhen, dass flüssiges Wasser
mit dem Massenstrom wegtransportiert wird, so dass eine schnellere
Trocknung eintritt und das Taupunktende hierdurch früher erreicht
wird.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Wärmemengenmodellierung;
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2a die
Wärmemenge über der
Starttemperatur und dem Massenstrom ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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2b die
Wärmemenge über der
Starttemperatur und dem Massenstrom unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Modellierung der Wärmemenge
und
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3 das
technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt wird.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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Die
Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer Sauerstoff-Sonde, die
sich im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine befindet, beschrieben.
Es ist jedoch hervorzuheben, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist,
sondern prinzipiell ein Einsatz im Zusammen hang mit beliebigen beheizbaren
keramischen Sensoren im Abgaskanal von Brennkraftmaschinen denkbar
ist. Die Sauerstoff-Sonde dient dazu, den Sauerstoffgehalt des Abgases
zu erfassen und einer Einrichtung zur Regelung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses
zur Verfügung
zu stellen. Bislang wurde die Sauerstoff-Sonde in der Regel sehr
weit vorne im Abgaskanal, d.h. nahe der Brennkraftmaschine angeordnet,
um eine schnelle Erwärmung
der Sauerstoff-Sonde durch die Abgase der Brennkraftmaschine zu
gewährleisten.
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Um
die Sauerstoff-Sonde noch schneller aufzuheizen, ist sie in der
Regel mit einem elektrischen Heizelement versehen. Des weiteren
kann durch das Heizelement sichergestellt werden, dass die keramische Sauerstoff-Sonde
auch unter Betriebsbedingungen, bei denen die Abgastemperatur niedrig
ist und/oder nur eine sehr geringe Menge an Abgas vorhanden ist,
auf Betriebstemperatur gehalten wird. Die Anordnung der Sauerstoff-Sonde nahe der Brennkraftmaschine
weist jedoch den Nachteil auf dass dann, wenn die Brennkraftmaschine
längere
Zeit bei hoher Leistung betrieben wird, eine große Menge sehr heißer Abgase
anfällt,
durch die die Sauerstoff-Sonde möglicherweise
auf unzulässig
hohe Temperaturen aufgeheizt wird, wodurch sich deren Lebensdauer
verkürzt.
Darüber
hinaus ist es in vielen Fällen
schwierig, im Abgaskanal nahe der Brennkraftmaschine eine geeignete
Einbaustelle für
die Sauerstoff-Sonde zu finden, von der aus die Abgase aller Zylinder
der Brennkraftmaschine erfaßt
werden können.
Diese Schwierigkeiten lassen sich dadurch beseitigen, dass man die
Sauerstoff-Sonde stromabwärts,
d.h. weg von der Brennkraftmaschine im Abgaskanal anordnet. Diese
Art der Montage wirft allerdings ein neues Problem auf da in der
Anfangsphase nach dem Start der kalten Brennkraftmaschine der Abgaskanal
stromaufwärts
der Sauerstoff-Sonde noch relativ kalt ist. Dadurch kommt es zur
Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers. Werden die kondensierten
Wassertröpfchen
beispielsweise von der Wandung des Abgaskanals durch vorbeiströmende Abgase
losgerissen und auf die Sauerstoff-Sonde geschleudert, so wird die
Sauerstoff-Sonde an den Auftreffstellen lokal sehr rasch abgekühlt. Diese
Abkühlung
kann zu einer Beschädigung
der Sauerstoffsonde, beispielsweise in Form von Rissen in der Keramik,
führen.
Das Risiko der Beschädigung
ist besonders hoch, wenn sich die Sauerstoff-Sonde bereits auf einer
hohen Temperatur befindet. Erfindungsgemäß erfolgt daher eine Ansteuerung des
Heizelements derart, dass das Risiko einer Beschädigung der Sauerstoff-Sonde
durch auftreffendes Kondenswasser sehr gering gehalten werden kann.
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Das
Vorstehende gilt rein prinzipiell auch für Sauerstoff-Sonden, die stromabwärts hinter
dem Katalysator angeordnet sind.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer an sich bekannten Brennkraftmaschine 100.
An der Brennkraftmaschine 100 sind ein Ansaugtrakt 102 und
ein Abgaskanal 104 angeordnet. Im Ansaugtrakt 102 der
Brennkraftmaschine 100 befinden sich – in Stromrichtung der angesaugten
Luft gesehen – der
Reihe nach ein Luftmassen- oder Luftmengenmesser 106, ein
Sensor 108 zur Erfassung der Temperatur der angesaugten Luft
und eine Einspritzdüse 110.
Im Abgaskanal 104 der Brennkraftmaschine 100 befinden
sich – in
Stromrichtung der Abgase gesehen – eine keramische Sauerstoff-Sonde 112 mit
Heizelement 114 und ein Sensor 116 zur Erfassung
der Abgastemperatur und/oder der Wandung des Abgaskanals 104 in
der Umgebung der Sauerstoff-Sonde 112.
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Ein
Modell zur Bestimmung der Wärmemenge
bis zur Erreichung des Taupunktendes (TPE) wird nachfolgend in Verbindung
mit 1 und 2a, 2b näher erläutert.
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Für die Beschreibung
des Verfahrens wird ein Rohrstück
betrachtet, in dem flüssiges
Wasser vorliegt oder beim Startvorgang der Brennkraftmaschine
100 kondensiert.
Es wird angenommen, dass die Temperatur des Rohrstücks örtlich hinreichend
konstant ist. In diesem Fall wird die Temperatur des Rohrstücks durch
die folgende Energiebilanz beschrieben:
wobei
m
R die Rohrmasse, c
R die
spezifische Wärmekapazität des Rohres,
T
R die Rohrwandtemperatur, t die Zeit, Q
w die Kondensations- bzw. Verdampfungswärme des
Wassers, Q
α der
Wärmeübergang
vom Gas auf das Rohr und Q
u der Wärmeverlust
an die Umgebung bedeuten. Mit Q
α_Punkt,
Q
u_Punkt und Q
w_Punkt werden
jeweils die Wärmeströme bezeichnet.
Beim Startvorgang wird sich nun die Temperatur des Rohrstücks so lange
erhöhen,
bis die vom Gas übergehende
Wärme gerade
der notwendigen Verdampfungs wärme
entspricht. Die Wärmeverluste
werden vereinfachend vernachlässigt,
da die Wandtemperaturen noch verhältnismäßig niedrig sind. Die Temperatur
des Rohrstücks
wird sich dann so lange nicht mehr nennenswert ändern, bis das flüssige Wasser
vollständig
verdampft ist. Dieser Zustand ist bei der Applikation mehr oder
weniger ausgeprägt
zu beobachten. In diesem Falle gilt:
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Der
Temperaturverlauf im Abgas wird aus einer Energiebilanz für den Abgasstrom
berechnet gemäß folgender
Gleichung:
wobei
m
_Punkt der Massenstrom, c
p die
spezifische Wärmekapazität des Abgasstroms,
z eine Rohrkoordinate, U der Umfang des Rohres innen und α der Wärmeübergangskoeffizient
bedeuten. Da die Rohrtemperatur hinreichend konstant ist, kann hieraus
der Verlauf der Gastemperatur T
g berechnet
werden, wenn die Eintrittstemperatur T
0 g bekannt ist:
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Mit
zunehmendem Massenstrom steigt demnach die Austrittstemperatur des
Abgases aus dem betreffenden Rohrstück an. Die Differenz des ein-
und austretenden Wärmeinhalts
des Gases entspricht nun exakt der Wärme, die auf die Wand übergeht,
die also für
die Verdampfung des Wassers zur Verfügung steht: m_Punkt·cp·(T0 g – Tg (z = 1)) = Qα_Punkt. (5)
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Mit
dem ermittelten Temperaturverlauf ergibt sich demnach der Wärmestrom
Qα_Punkt: Qα_Punkt =
m_Punkt·cp·(T0 g – TR)·(1 – e–m·1). (6)
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Wird
dieser Wärmestrom über die
Zeit integriert, bis kein Wasser mehr im Rohrstück vorliegt, erhält man hieraus
exakt die Wärmemenge,
die für
die Verdampfung des flussigen Wassers notwendig ist, wobei nachfolgend
auf den Korrekturfaktor
K
= (1 – e–m·1) (7)noch näher eingegangen
wird. Bei dem beispielsweise aus der
DE 43 00 530 A1 oder aus der
DE 43 38 342 C2 hervorgehenden
Verfahren wird die in das Rohrstück
eintretende Wärmemenge
als repräsentativ
für die Wärmemenge
angesehen, die für
die Verdampfung des Wassers zur Verfügung steht. Diese Vorgehensweise ignoriert
allerdings vollständig,
dass mit zunehmendem Massenstrom nicht nur ein größerer Wärmestrom
in das Rohr eintritt, sondern aus ihm auch wieder abgeführt wird.
Dies wird durch folgende Grenzfälle
verdeutlicht, die unabhängig
von deren wirklichem Vorkommen in der Praxis Gültigkeit besitzen.
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Betrachtet
man den Grenzfall eines sehr kleinen Massenstroms, so wird sich
die Gastemperatur am Ende des Rohres mehr oder weniger der Rohrtemperatur
annähern.
Der übergehende
Wärmestrom
ergibt sich dann zu Qα_Punkt – m_Punkt·cp·(T0 g – TR). (8)
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Formell
ergibt sich dieses Ergebnis auch durch eine Grenzwertbetrachtung
für verschwindenden
Massenstrom m_Punkt. In diesem Falle ist
die übergehende
Wärmemenge
proportional zum Massenstrom. Das in das Abgasrohr eintretende Abgas
gibt seine gesamte Wärme,
die oberhalb der Rohrtemperatur liegt, ab. In einem zweiten Grenzfall
für sehr
große
Massenströme
ergibt eine Grenzwertbetrachtung Qα_Punkt = α·U·1·(T0 g – TR). (9)
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Das
Gas ändert
bei sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit
seine Temperatur praktisch nicht. Eine weitere Erhöhung des
Gasstromes führt
zu keiner Temperaturänderung
mehr. Die übergehende
Wärme ist
daher nicht mehr vom Massenstrom abhängig. Die beiden Grenzfälle werden
formell durch den Korrekturfaktor K miteinander verbunden. Dieser
multiplikative Korrekturfaktor K, der in den bisherigen, aus der
DE 43 00 530 A1 sowie
der
DE 43 38 342 C2 bekannten
Verfahren nicht enthalten ist, entspricht einer Kennlinie abhängig vom Massenstrom.
Das bisherige Modell ignoriert folglich, dass die Temperaturverläufe nichtlineare
Funktionen des Massenstroms sind. Darin liegen die Differenzen der
Taupunktende-Bestimmungen bei niedrigen und hohen Massenströmen begründet.
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In
einem Steuergerät 128 kann
das Verfahren wie in 1 schematisch dargestellt realisiert
werden. Aus der Größe des Massenstroms 115,
der Wärmekapazität 120 sowie
der Gastemperatur 130 und der Rohrwandtemperatur 140,
die über
Multiplikationsglieder 135, 147 sowie über ein
entsprechendes Subtraktionsglied 14S gemäß der vorstehenden
Gleichung (6) miteinander verknüpft werden und unter Berücksichtigung des
Korrekturfaktors 150, der über ein Multiplikationsglied 155 berücksichtigt
wird, wird durch Integration über die
Zeit in einem Integrationsglied 160 die Wärmemenge 170 bestimmt.
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Die
integrierte Wärmemenge
bis Taupunktende ist beispielhaft in 2a und 2b dargestellt,
wobei 2a die integrierte Wärmemenge
bis Taupunktende zeigt, ohne Berücksichtigung
des Korrekturfaktors K, und 2b die
integrierte Wärmemenge
unter Berücksichtigung
des Korrekturfaktors K. Die integrierte Wärmemenge ist ein direktes Maß für die enthaltene
Wassermenge. Aufgetragen ist die Wärmemenge über der Starttemperatur, die
für die
Brennkraftmaschine 100 und den Katalysator 112 identisch
ist, und dem bis zum Erreichen des Taupunktendes gemittelten Massenstrom.
Wie in 2a dargestellt, ergibt sich
ohne den Korrekturfaktor K eine mit zunehmendem Massenstrom stark
zunehmende Wärmemenge.
Gleichzeitig nimmt die Wärmemenge
in verschiedenen Bereichen mit zunehmender Starttemperatur zu. Beides
ist nicht plausibel. Berücksichtigt
man den Massenstromeinfluss wie oben (2b) dargestellt,
verschwindet dieses Verhalten.
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Abschließend sei
noch darauf hingewiesen, dass der Wärmeübergangskoeffizient α eine Funktion
der Strömungsverhältnisse,
also des Massenstroms ist. Diese Abhängigkeit wird bei der Applikation
mithilfe des Korrekturkennfelds durch Berücksichtigung des Korrekturfaktors
K implizit berücksichtigt.
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Eine
andere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass über die
Massenstromkennlinie auch neben der vorstehend beschriebenen Korrektur
der Wärmemenge "nach unten" rein prinzipiell
auch eine Korrektur "nach
oben" bei hohen
Massenströmen
realisiert werden kann. Unter Nichtanwendung der oben beschriebenen
physikalischen Vorgänge
würde ein "Wegblasen" flüssigen Wassers
bei hohen Massenströmen
dazu führen,
dass es an der betrachteten Stelle schneller trocken wird und damit
an dieser Stelle das Taupunktende früher erreicht wäre.
