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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
DE 197 53 969 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei ein die Last der Brennkraftmaschine repräsentierendes Signal (Ps) erfasst und abhängig von diesem Signal ein Maß für die Füllung (rl) der Zylinder der Brennkraftmaschine berechnet wird, wobei die Zylinderfüllung zur Steuerung wenigstens einer Betriebsgröße wie Kraftstoffzumessung, Zündwinkel oder Luftzufuhr ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Füllung ein Modell herangezogen wird, bei welchem die Ansauglufttemperatur berücksichtigt wird, dass die die Last der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe der Saugrohrdruck oder die Luftmasse ist, und dass aus dem gemessenen oder aus der Luftmasse berechneten Saugrohrdruck unter Berücksichtigung des Restgaspartialdrucks ein Frischluftpartialdruck gebildet wird, der mittels eines Steigungsfaktors in einen Luftfüllungswert umgewandelt wird, wobei bei der Bestimmung des Steigungsfaktors die Brennraumtemperatur berücksichtigt wird, und wobei bei der Berechnung der Brennraumtemperatur die Ansauglufttemperatur derart berücksichtigt wird, dass der Steigungsfaktor unabhängig von der Ansauglufttemperatur konstant bleibt.
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Die
DE 102 54 485 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einer Motorsteuerungseinrichtung mit zugeordnetem motornah angeordnetem Temperatursensor zur Erfassung der Ansauglufttemperatur, auf deren Basis auf die Umgebungslufttemperatur rückgeschlossen wird, wobei die Motorsteuerungseinrichtung (
3) mit wenigstens einem zweiten motorextem angeordneten und einem anderen System (
7) als dem Motorsteuerungssystem zugeordneten Temperatursensor (
5) kommuniziert und zur Plausibilitätsprüfung des von diesem Temperatursensor (
5) gelieferten Temperaturwerts (
Text ) anhand des vom motornahen Temperatursensor (
4) gelieferten Temperaturwerts (
Tmot ) ausgebildet ist.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Figurenliste
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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.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
