-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Computerprogramm,
ein elektrisches Speichermedium, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung.
-
Bei üblichen
Brennkraftmaschinen werden verschiedene Betriebstemperaturen der
Brennkraftmaschine erfasst. Zu diesen Temperaturen, die für die Steuerung
und/oder Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine wichtig sind,
gehört
eine Ansauglufttemperatur ebenso wie die Temperatur der Umgebungsluft
(Umgebungstemperatur). Diese Temperaturen werden durch entsprechend
angeordnete Temperatursensoren erfasst, die entsprechenden Signale
werden einer Steuer- und/oder
Regeleinrichtung zugeführt.
Die Kenntnis dieser Temperaturen gestattet einen besonders emissionsarmen
und kraftstoffsparenden Betrieb der Brennkraftmaschine.
-
Um
einen umweltschonenden Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten
zu können,
ist es erforderlich, jederzeit feststellen zu können, ob ein Sensor, beispielsweise
jener Sensor, welcher die Umgebungstemperatur erfasst, korrekt arbeitet.
Im Falle des Sensors, welcher die Umgebungstemperatur erfasst, erfolgt
eine solche Überprüfung, die
auch "Plausibilisierung" genannt wird, auf
der Basis der Temperatur der Ansaugluft, die von einem in einem Ansaugkanal
der Brennkraftmaschine angeordneten Sensor erfasst wird. Bei vom
Markt her bekannten Brennkraftmaschinen wird versucht, die Umgebungstemperatur über Last-
und/oder Drehzahlkollektive sowie abhängig von der Betriebsdauer
der Brennkraftmaschine aus der Ansauglufttemperatur zu ermitteln.
Stimmen die gemessene und die ermittelte Umgebungstemperatur in
etwa überein,
kann von einer korrekten Funktion des Sensors, mit dem die Umgebungstemperatur
erfasst wird, ausgegangen werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, dass es möglichst
präzise
arbeitet und bei ganz unterschiedlichen Typen von Brennkraftmaschinen,
vor allem bei Brennkraftmaschinen mit einem Verdichter, eingesetzt
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Lösungen sind
ferner in nebengeordneten Patentansprüchen angegeben, die ein Computerprogramm,
ein elektrisches Speichermedium, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung
betreffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in
Unteransprüchen
angegeben.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Durch
die Verwendung mindestens eines thermodynamischen Modells bei der
Ermittlung der Umgebungstemperatur aus der Ansauglufttemperatur
können
die tatsächlichen
Verhältnisse
vergleichsweise genau abgebildet werden. Insbesondere können "Stationen" innerhalb des Ansaugkanals,
in denen die Ansaugluft auf ihrem Weg aus der Umgebung bis zu der
Stelle, an der die Ansauglufttemperatur gemessen wird, signifikanten
Zustandsänderungen
unterworfen ist, berücksichtigt
werden. Eine solche "Station" kann beispielsweise
ein Verdichter bzw. ein Turbolader sein, ein Ladeluftkühler, und
eine Drosselklappe. Letztlich können
so die Temperaturänderungen,
die die Ansaugluft auf ihrem Weg von der Umgebung bis zu jener Stelle,
an der die Ansauglufttemperatur gemessen wird, mit hoher Präzision und
für fast
beliebige Typen von Brennkraftmaschinen zurückgerechnet werden. Die Plausibilisierung der
Temperatur der Umgebungsluft ist daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit hoher Präzision und
in vielen Anwendungsfällen
möglich.
-
Wenn
eine der "Stationen" innerhalb des Ansaugkanals
ein Verdichter oder ein Turbolader ist, kann die thermische Zustandsänderung,
die die Ansaugluft beim Durchströmen
des Kompressors oder Turboladers erfährt, in eine erste Temperaturänderung
in Folge Wärmeübergang
und eine zweite Temperaturänderung
in Folge isentroper Druckänderung aufgeteilt
werden. Hierdurch wird die thermische Zustandsänderung der Ansaugluft mit
hoher Genauigkeit abgebildet. Gleichzeitig ist der erforderliche
Rechenaufwand gering.
-
Die
Temperaturänderung
infolge Wärmeübergang
wiederum kann mit hoher Präzision
bestimmt werden, wenn als Temperatur des Turboladers ein Mittelwert
aus der Abgastemperatur vor dem Turbolader und der Abgastemperatur
nach dem Turbolader verwendet wird. Diese beiden Temperaturen können mit üblichen
Rechenmodellen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Für das den
Wärmeübergang
treibende Temperaturgefälle
ist auch die Temperatur des Luftstromes wichtig, der durch den Verdichter
bzw. Turbolader hindurchtritt. Diese Temperatur kann näherungsweise
als jene Umgebungstemperatur angenommen werden, die in einem vorhergehenden
Rechenschritt berechnet worden war. Durch eine solche iterative
Durchführung
des Verfahrens kann die Präzision
bei der Bestimmung der Umgebungstemperatur erhöht werden.
-
Auch
der Luftmassenstrom, der durch den Ansaugkanal strömt, kann
bei der Ermittlung des Wärmeübergangs
berücksichtigt
werden. Dieser Luftmassenstrom wird üblicherweise durch einen HFM-Sensor
am Eingang des Ansaugkanals erfasst.
-
Weiterhin
kann als "Station" auch ein Ladeluftkühler berücksichtigt
werden. Bei einem solchen handelt es sich im Grunde um nichts anderes
als um einen klassischen Wärmetauscher,
der die zuvor komprimierte Luft auf dem Weg in den Brennraum abkühlt. Hier
kann die Berechnung wesentlich vereinfacht werden, wenn mit einem
Wirkungsgrad gearbeitet wird, der vorzugsweise von der Fahrzeuggeschwindigkeit
und dem Luftmassenstrom abhängt, der
durch den Ansaugkanal strömt.
-
Als "Station" kommt bei vielen
Brennkraftmaschinen auch eine Drosselklappe in Frage, bei deren Durchströmen die
Ansaugluft vor allem eine Druckänderung
und in der Folge auch eine gewisse Temperaturänderung erfährt. Die entsprechende berücksichtigte
Zustandsänderung
ist polytrop. Die Druckänderung
ist durch das Signal eines Drucksensors und die aktuelle Stellung
der Drosselklappe bekannt.
-
Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugkanal;
-
2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Umgebungstemperatur
aus einer Ansauglufttemperatur;
-
3 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Wirkungsgrads
eines Ladeluftkühlers
der Brennkraftmaschine von 1; und
-
4 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Temperatur eines
Abgasturboladers der Brennkraftmaschine von 1.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
umfasst einen Motorblock, von dem in 1 nur ein
Zylinder mit einem Brennraum 12 gezeigt ist. Ein Einlassventil
ist in 1 mit 14, ein Auslassventil mit 16 bezeichnet.
Ein im Brennraum 12 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch
wird von einer Zündkerze 18 entzündet.
-
Heiße Verbrennungsabgase
werden aus dem Brennraum 12 bei geöffnetem Auslassventil 16 in
eine Abgasrohr 20 geleitet, in dem eine Turbine 22 eines
Abgas-Turboladers 24 angeordnet ist. Stromaufwärts vom
Einlassventil 14 verläuft
ein einen Ansaugkanal bildendes Ansaugrohr 26, in welches Kraftstoff
von einem Injektor 28 eingespritzt wird. Dabei sei jedoch
darauf hingewiesen, dass die nachfolgend dargestellten Vorteile
genauso bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung
gelten.
-
Vom
Einlassventil 14 aus gesehen ist im Ansaugrohr 26 als
erste "Station" eine Drosselklappe 30 angeordnet.
Danach folgt als zweite "Station" ein Ladeluftkühler 32,
und stromaufwärts
von diesem wiederum ein Verdichter 34, der zum Abgasturbolader 24 gehört und von
der Turbine 22 angetrieben wird. Stromaufwärts von
dieser dritten "Station" befindet sich ein
Einlassbereich 36 des Ansaugrohrs 26, der zu einer
Umgebung 38 hin offen ist. Im Einlassbereich 36 ist
als vierte "Station" ein Luftfilter 40 angeordnet.
-
Im
Ansaugrohr 26 sind verschiedene Sensoren vorhanden: Zwischen
Drosselklappe 30 und Einlassventil 14 ist ein
Temperatursensor 42 angeordnet, der eine Temperatur tans
der von der Drosselklappe 30 zum Einlassventil 14 strömenden Ansaugluft
erfasst. Stromaufwärts
von der Drosselklappe 30 ist ein Drucksensor 44 angeordnet,
der den Druck der zuvor vom Verdichter 34 verdichteten
und im Ladeluftkühler 32 abgekühlten Luft
erfasst. Dieser Druck ist mit pvdk bezeichnet und ist gemeinhin
als "Ladedruck" bekannt. Im Einlassbereich 36 wiederum
ist ein HFM-Sensor 46 angeordnet, der den einströmenden Luftmassenstrom
ml erfasst. Eine Temperatur tum der Umgebungsluft wird von einem
Temperatursensor 48 erfasst. Alle Sensoren 42 bis 48 liefern
ihre Signale an eine Steuer- und Regeleinrichtung 50, welche
den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 steuert bzw. regelt.
-
Um
das Signal des Temperatursensors 48 plausibilisieren zu
können,
wird auf der Basis der vom Temperatursensor 42 ermittelten
Ansauglufttemperatur tans eine Vergleichsumgebungstemperatur tumV
ermittelt, indem die thermischen Zustandsänderungen, die die Ansaugluft
auf ihrem Weg vom Einlassbereich 36 bis zum Temperatursensor 42 an den
verschiedenen Stationen 30, 32, 34, 40 erfährt, zurückgerechnet
wird. Ein entsprechendes Verfahren ist auf einem Speicher der Steuer-
und Regeleinrichtung 50 als Computerprogramm abgespeichert.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 im
Detail erläutert:
Wie
aus 2 hervorgeht, wird in 52 zunächst die Ansauglufttemperatur
tans mit einem Faktor F1 multipliziert, der aus einer Kennlinie 54 hervorgeht.
In diese wird ein Verhältnis
vpvdkps des vom Drucksensor 44 erfassten Ladedrucks pvdk
zu einem Saugrohrdruck ps eingespeist, der an jener Stelle des Ansaugrohrs 26 herrscht,
an der der Temperatursensor 42 angeordnet ist. Das Verhältnis wird
durch Division in 56 gebildet. Der Saugrohrdruck ps wird
anhand eines Modells bestimmt, welches die aktuelle Stellung der
Drosselklappe 30 berücksichtigt.
In guter Näherung
wird angenommen, dass die Zustandsänderung der Luft über die
Drosselklappe 30 hinweg polytrop verläuft. Dies wird durch die Kennlinie 54 zum
Ausdruck gebracht, welche für
die entsprechende Brennkraftmaschine 10 appliziert wird. Üblicherweise
wird der Faktor F1 größer als
1 sein. Das Ergebnis der Multiplikation in 52 ist eine
Temperatur tvdk, die die Ansaugluft im Bereich zwischen Ladeluftkühler 32 und
Drosselklappe 30 aufweist.
-
Durch
eine anschließende
Subtraktion in 58 und einer Division in 60 wird
die Zustandsänderung der
Ansaugluft beim Durchströmen
des Ladeluftkühlers 32 berücksichtigt.
Ein additiver Anteil tumVoldeta wird durch Multiplikation eines
Wirkungsgrads etall des Ladeluftkühlers 32 in 62 mit einer
in einem vorhergehenden Rechendurchlauf ermittelten Vergleichsumgebungstemperatur
tumVold ermittelt. Der multiplikative Einfluss wird durch Subtraktion
des Wirkungsgrads etall in 64 von eins erhalten.
-
Die
Ermittlung des Wirkungsgrads etall erfolgt wie in 3 gezeigt:
Danach wird eine Geschwindigkeit vfzg eines Kraftfahrzeugs, in welches die
Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist, in eine Kennlinie 66 eingespeist.
Ebenso wird der vom HFM-Sensor 46 erfasste Luftmassenstrom
ml in eine Kennlinie 68 eingespeist. Die Ausgangsgrößen der beiden
Kennlinien 66 und 68 werden in 70 miteinander
multipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird wiederum
in 72 einer Maximalwertauswahl unterzogen, wobei der Maximalwertauswahl
als zweite Größe im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
der feste Wert 0,5 zugeführt
wird. Diese Maximalwertauswahl führt
zu einer deutlichen Stabilisierung der Berechnung des Wirkungsgrads
etall des Ladeluftkühlers 32.
Durch diese Berechnung wird berücksichtigt, dass
es sich beim Ladeluftkühler 32 um
einen Wärmetauscher
handelt, der Wärme
aus dem im Ansaugrohr 26 strömenden Luftmassenstrom ml an
die mit der Fahrzeuggeschwindigkeit vfzg am Ladeluftkühler 32 vorbeiströmende Umgebungsluft
abgibt.
-
Das
Ergebnis der beiden arithmetischen Operationen in 58 und 60 ist
eine Temperatur tvllk, die die Ansaugluft zwischen dem Ladeluftkühler 32 und
dem Verdichter 34 des Abgasturboladers 24 aufweist.
-
Der
Einfluss des Abgasturboladers 24 auf die im Ansaugrohr 26 strömende Luft
wird durch zwei Subtraktionen in 74 und 76 berücksichtigt.
Durch die Subtraktion in 74 wird die Einkopplung von Wärme aus
dem Abgasturbolader 24 durch Wärmeleitung in die im Ansaugrohr 26 strömende Luft berücksichtigt. Dieser
Anteil ist mit tnatlpoly bezeichnet, er ergibt sich aus einer angenommenen
polytropen Zustandsänderung.
Durch die Subtraktion in 76 wiederum wird jene Zustandsänderung
der Ansaugluft berücksichtigt,
die durch die Kompression im Verdichter 34 des Abgasturboladers 24 bewirkt
wird. Diese Zustandsänderung
wird als isentrope Zustandsänderung
angenommen, die entsprechende Temperaturänderung ist mit dtnatlis bezeichnet.
-
Die
polytrope Temperaturänderung
tnatlpoly wird in einem Kennfeld 78 ermittelt, welches
die polytrope Zustandsänderung
durch Wärmeübergang
beschreibt und dessen Eingangsgrößen zum
Einen der vom HFM-Sensor 46 erfasste Luftmassenstrom ml (es
ist davon auszugehen, dass bei hohen Durchsätzen weniger Energie in das
strömende
Medium übergeht)
und zum Anderen ein treibendes Temperaturgefälle dtatl ist. Letzteres wird
in 80 durch Subtraktion einer Temperatur tnatlis von einer
Temperatur tatl erhalten.
-
Bei
der Größe tatl
handelt es sich um eine Temperatur des Abgasturboladers 24.
Sie wird, wie aus 4 ersichtlich ist, als Mittelwert
der Abgastemperatur tabgkrm vor der Turbine 22 und der
Abgastemperatur tabgm nach der Turbine 22 angenommen. Die
beiden Temperaturen tabgkrm und tabgm werden anhand üblicher
Temperaturmodelle gewonnen. Die Mittelwertbildung erfolgt durch
Summation in 82 und Division mit dem Wert 2 in 84.
Der erhaltene Wert wird in 86 einer Tiefpassfilterung unterzogen.
-
Für die Ermittlung
der Größe dtnatlis
wird zunächst
ein Druckverhältnis
vpvdkpu gebildet, durch welches der Druck pvdk im Ansaugrohr 26 zwischen Kompressor 34 und
Drosselklappe 30 zum Umgebungsdruck pu ins Verhältnis gesetzt
wird. Durch die Größe vpvdkpu
wird letztlich die Druckerhöhung
im Verdichter 34 beschrieben. Das Verhältnis vpvdkpu wird in eine
Kennlinie 88 eingespeist, welche einen Faktor F2 erzeugt.
Durch die Kennlinie 88 wird eine isentrope Zustandsänderung
beim Durchströmen des
Verdichters 34 modelliert. Der Faktor F2 wird in 90 mit
der im vorhergehenden Rechendurchlauf ermittelten Vergleichsumgebungstemperatur
tumVold multipliziert, was im Ergebnis zu der durch isentrope Zustandsänderung
im Verdichter 34 bewirkten Temperatur tnatlis des Gases
stromabwärts
vom Verdichter 34 führt.
Die in 92 erzeugte Differenz zwischen der Temperatur tnatlis
und dem Wert tumVold führt
zu der durch isentrope Zustandsänderung
im Verdichter 34 bewirkten Temperaturdifferenz dtnatlis.
-
In 94 wird
noch ein Offset FWTFIL vom bis dahin berechneten Wert abgezogen,
durch den Drosselverluste berücksichtigt
werden, die beim Durchströmen
des Luftfilters 40 auftreten. Der auf diese Weise errechnete
Wert puV wird nun nochmals tiefpassgefiltert (nicht dargestellt)
und dann für
eine Diagnose des Sensors 48, der die Temperatur tum bereitstellt,
eingesetzt. Diese Diagnose kann beispielsweise aus einem Vergleich
der gemessenen Umgebungstemperatur tum mit der errechneten Vergleichsumgebungstemperatur
tumV bestehen. Die errechnete Vergleichsumgebungstemperatur tumV wird
dann beim nächsten
Rechendurchgang des iterativ durchgeführten Verfahrens an den entsprechenden
Stellen als Wert tumVold verwendet.