DE102007003245B4

DE102007003245B4 - Verfahren zum Entwerfen eines Motorkomponenten-Temperaturschätzers

Info

Publication number: DE102007003245B4
Application number: DE102007003245A
Authority: DE
Inventors: Dimitrios Rizoulis; Gary D. Mandrusiak; Chandran B. Santanam
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: DE102007003245A1; US20070175415A1; CN101025109A; CN101025109B; US7409928B2

Abstract

Verfahren zum Schätzen von Temperaturen in einem Motor, das umfasst, dass Metalltemperaturen an jedem mehrerer Knoten geschätzt werden; eine Kühlmitteltemperatur geschätzt wird; eine gemessene Kühlmitteltemperatur detektiert wird; eine Verstärkung auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Kühlmitteltemperatur und der gemessenen Kühlmitteltemperatur ermittelt wird; und die Metalltemperaturen an jedem der mehreren Knoten durch Multiplikation mit der Verstärkung eingestellt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorsteuerung und insbesondere einen Motortemperaturschätzer.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren erzeugen durch Verbrennung, Reibung und verschiedene Leistungsschwächen von Komponenten Wärme. Ein Kühlsystem regelt die Temperatur des Motors, um den Motor vor übermäßiger Wärme zu schützen und eine effiziente Verbrennung zu fördern. Ein kalter Motor kann weniger effizient sein und erhöhte Emissionen erzeugen. Ein übermäßig heißer Motor erhöht die Beanspruchung von Motorkomponenten und kann mechanische Ausfälle bewirken.
Der Verbrennungsmotor arbeitet typischerweise effizienter, wenn Bereiche in dem Motor auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden. Zum Beispiel kann der Motor von einer niedrigeren Temperatur an der Unterseite des Motors relativ zu der Oberseite des Motors profitieren. Um verschiedene Temperaturen in den Bereichen des Motors aufrecht zu erhalten, setzen herkömmliche Kühlsysteme typischerweise eine Mehrzahl von Sensoren ein, die Metalltemperaturen in dem Motor messen und verfolgen. Es sei angemerkt, dass ein Messen von Metalltemperaturen bei einem Motor aus einer Massenproduktion komplex und teuer sein kann. Zum Beispiel erhöhen alle zusätzlichen Sensoren die Produktionskosten, steigern alle zusätzlichen Sensoren die Motorkomplexität und erhöhen alle zusätzlichen Sensoren die Fahrzeuggarantiekosten.
Dementsprechend ist es aus der EP 1 405 992 A1 , die ein Kühlsystem für einen Motor beschreibt, bekannt, die Motortemperatur mittels einer Funktion zu berechnen, welche zuvor anhand einer Differentialgleichung, die den Motor als mathematisches Modell abbildet, zu bestimmen ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Schätzen einer Temperatur in einem Motor umfasst, dass an jedem mehrerer Knoten Metalltemperaturen geschätzt werden und eine Kühlmitteltemperatur geschätzt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine gemessene Kühlmitteltemperatur detektiert wird und auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Kühlmitteltemperatur und der gemessenen Kühlmitteltemperatur eine Verstärkung ermittelt wird. Das Verfahren stellt die Metalltemperaturen an jedem der mehreren Knoten auf der Grundlage der Verstärkung ein. Das Verfahren schätzt die momentanen Metalltemperaturen ohne Temperatursensoren.
Bei einer Ausführungsform verteilt das Verfahren eine Menge von Motorkühlmittel auf der Grundlage der Temperaturen an mehrere Motororte.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin nachfolgend gelieferten detaillierten Beschreibung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen verständlicher, in denen:
1 ein schematisches Diagramm ist, das ein Fahrzeug zeigt, welches ein gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebautes Steuermodul umfasst;
2 ein Flussdiagramm ist, das eine Methodologie zum Entwerfen eines Motorkomponenten-Temperaturschätzers gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ein Flussdiagramm ist, das eine Motorkomponenten-Temperaturschätzersteuerung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 ein schematisches Diagramm ist, das das Steuermodul und den Motor von 1 einschließlich eines Metall- und Kühlmitteltemperatur-Detektionsmoduls und eines Verstärkungseinstellmoduls zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck Modul auf einen anwendungsspezifischen Schalkreis (ASIC), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zugeordnet oder gruppiert) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einen Schaltkreis mit kombinatorischer Logik oder andere geeignete Bauteile, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Ferner können die Fahrzeugcontroller mit verschiedenen Fahrzeugsystemen unter Verwendung digitaler oder analoger Eingänge und Ausgänge und/oder eines Fahrzeugkommunikationsnetzwerks kommunizieren, das die folgenden herkömmlich verwendeten Fahrzeugkommunikationsnetzwerkstandards CAN, SAE J1850 und GMLAN verwendet, aber nicht darauf beschränkt ist.
Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Abschnitt eines Fahrzeugs 10 einen Motor 12, der einen Drehmomentausgang erzeugt, um das Fahrzeug 10 über einen Antriebsstrang 14 auf eine in der Technik bekannte Weise anzutreiben. Der Motor 12 kann ein Verbrennungsmotor sein. Es sei angemerkt, dass der Motor 12 auch mit einer Vielzahl von Antriebsaggregatausgestaltungen ausgestaltet sein könnte, wie beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung, brennstoffzellen- und/oder batteriebetriebene Elektromaschinen, Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Diesel-, Biomassen-, Benzinmotoren und Motoren, die Erdgas verbrauchen, und Hybridkombinationen hiervon.
Der Motor 12 umfasst einen Einlasskrümmer 16 und eine Drosselklappe 18. Eine Luftströmung in den Einlasskrümmer 16 wird durch die Drosselklappe 18 geregelt. Die Luftströmung von dem Einlasskrümmer 16 und Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe 20 werden in mehreren Zylindern 22 durch ein Zündsystem 24 auf eine in der Technik bekannte Weise gezündet. Eine Verbrennung in jedem der Zylinder 22 drückt einen Kolben 26 zu einer Kurbelwelle 28, an der der Kolben 26 durch eine Pleuelstange 30 befestigt ist. Eine Auf- und Abbewegung des Kolbens 26 wird an die Kurbelwelle 28 übertragen, was dazu führt, dass Drehenergie an den Antriebsstrang 14 geliefert wird. Es sei angemerkt, dass, während der gezeigte Motor eine Fremdzündung verwendet, die vorliegende Erfindung bei Dieselmotoren und anderen Kompressionszündungsmotoren ohne Zündfunken Anwendung findet.
Jeder der Zylinder 22 umfasst einen Zylinderkopf 32, eine Ventilbrücke 34 und eine Zylinderlaufbuchse. Die Zylinder 22 befinden sich in einem Motorblock. Es sei angemerkt, dass die Komponenten des Motors 12 Wärme erzeugen und halten können. Ferner können die Komponenten des Motors 12 zwischen und unter den Komponenten durch Konduktion, Konvektion, Strahlung und/oder Advektion Wärme transferieren. Somit stellt ein Kühlsystem 40, das mit dem Motor 12 verbunden ist, den Komponenten und Bereichen des Motors 12 eine Kühlung bereit.
Das Kühlsystem 40 führt Kühlmittel durch mehrere Kühlkanäle 42, um die verschiedenen Komponenten und Bereiche des Motors 12 zu kühlen. Das Kühlsystem 40 umfasst eine Wasserpumpe 44, die Kühlmittel durch die mehreren Kühlkanäle 42 treibt. Die Wasserpumpe 44 kann eine elektrische Wasserpumpe mit einer variablen Strömungsrate sein. Es sei angemerkt, dass auch eine mechanische Wasserpumpe verwendet werden kann, die auf eine andere Weise von dem Motor 12 mechanisch angetrieben wird. Das Kühlsystem 40 umfasst auch einen Kühler 46 und eine Heizeinrichtung 48. Der Kühler 46 reduziert die Temperatur des Kühlmittels durch Transferieren von Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite des Fahrzeugs 10. Die Heizeinrichtung 48 kann durch Transferieren von Wärme von dem Kühlmittel in das Innere des Fahrzeugs 10 auch die Temperatur des Kühlmittels reduzieren. Ein Thermostat 50 kann eine Lieferung von Kühlmittel an den Kühler 46 während eines Aufwärmens des Motors auf eine in der Technik bekannte Weise verhindern.
Das Kühlsystem 40 umfasst die Wasserpumpe 44 und ein Ventil 52, die beide mit einem Steuermodul 54 kommunizieren können. Das Steuermodul 54 kann eine variable Strömungsrate der Wasserpumpe 44 steuern. Das Steuermodul 54 kann mit dem Ventil 52 kommunizieren, um Kühlmittel zwischen verschiedenen Komponenten und Bereichen des Motors 12 zu verteilen. Genauer gesagt können der Zylinderkopf 32 und der Motorblock 38, die als eine Oberseite des Motors bzw. eine Unterseite des Motors bezeichnet werden können, bei verschiedenen jeweiligen Temperaturen effizienter arbeiten. Ferner kann das Kühlsystem 40 den Motor 12 durch Steuern einer Verteilung von Kühlmittel effizienter kühlen. Somit können die Wasserpumpe 44 und das Ventil 52 durch das Steuermodul 54 gesteuert werden, um variierende Kühlmittelvolumina zu der Oberseite des Motors und der Unterseite des Motors zu führen, um optimale Temperaturen in den verschiedenen Bereichen des Motors aufrechtzuerhalten.
Das Steuermodul 54 kann auch Operationen des Fahrzeugs 10 auf der Grundlage von Fahrzeugbetriebsparametern 56 steuern, die Umgebungsindikatoren, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Temperatur oder Luftdruck umfassen können. Die Fahrzeugbetriebsparameter 56 können auch ein Antriebsaggregatprofil und einen Antriebsaggregatstatus umfassen, der z. B. ein Signal eines kalten Motors oder Motorcontrollerfehler angibt. Es sei angemerkt, dass sich ein kalter Motor darauf bezieht, dass die Temperaturen der jeweiligen Komponenten des Motors 12 ungefähr gleich den Umgebungstemperaturzuständen sind. Somit kann sich die Temperatur des kalten Motors auf eine Motortemperatur in dem Bereich von etwa 0°C (32°F) bis etwa 32°C (90°F) beziehen. Das Antriebsaggregatprofil kann Nachschlagedaten umfassen, die z. B. einen Drehmomentausgang auf der Grundlage einer Zündverzögerung, einen Drehmomentausgang auf der Grundlage einer Motordrehzahl und Auswirkungen der Umgebungsindikatoren auf die Motorleistung angeben. Ein Telematikmodul 58, wie beispielsweise OnStar^®, kann auch eine Eingabe in das Steuermodul 54 liefern und eine Ausgabe von diesem empfangen.
Das Steuermodul 54 kann ein Drosselklappensteuersignal 60 erzeugen, das an einen Drosselklappenaktuator 62 gesendet wird, welcher die Drosselklappe 18 regelt. Ein Motordrehzahlsensor 64 erzeugt ein Motordrehzahlsignal 66 für den Motor 12, das auch an das Steuermodul 54 übertragen wird. Ein Antriebsstrang-Drehzahlsensor 68 erzeugt ein Antriebsstrang-Drehzahlsignal 70, das auch an das Steuermodul 54 übertragen wird. Ein Eintrittskühlmitteltemperatursensor 72 überträgt ein Eintrittskühlmitteltemperatursignal 74 an das Steuermodul 54. Ähnlich überträgt ein Austrittskühlmitteltemperatursensor 76 ein Austrittskühlmitteltemperatursignal 78 an das Steuermodul 54. Es sei angemerkt, dass, während ein einzelner Eintrittskühlmitteltemperatursensor 72 benachbart zu dem Ventil 52 gezeigt ist, zwei Eintrittskühlmitteltemperatursensoren verwendet werden können und sich an den Orten des Motors 12 befinden können, die der Oberseite bzw. der Unterseite des Motors entsprechen.
Bezug nehmend auf 2 ist eine Methodologie gezeigt, die ein Motortemperaturschätzermodell entwickelt, von dem ein Motortemperaturschätzer-Steuersystem abgeleitet und in einem Fahrzeug realisiert werden kann. Um das Motortemperaturschätzermodell zu entwickeln, kann die Methodologie beispielsweise wie in 2 gezeigt einen ersten Abschnitt 102 und einen zweiten Abschnitt 104 umfassen. In dem ersten Abschnitt 102 wird ein detailliertes Mehrfachzylinder-Motortemperaturmodell erzeugt, das einen Wärmetransfer und eine Wärmeerzeugung überall in einem Motor modelliert. In dem zweiten Abschnitt 104 wird das detaillierte Mehrfachzylinder-Motortemperaturmodell vereinfacht und linearisiert, um ein beispielhaftes Motortemperaturschätzer-Steuersystem zu entwickeln.
In Schritt 106 werden mehrere Knotenorte für das detaillierte Mehrfachzylinder-Motortemperaturmodell ermittelt. Zum Beispiel legt das detaillierte Modell für jeden Zylinder fünf Knoten in dem Motorblock, dem Zylinderkopf, der Ventilbrücke, der Zylinderlaufbuchse und dem Motorkühlmittel fest. Es sei angemerkt, dass die Knoten an verschiedenen anderen Orten in dem Motor angeordnet sein können, wie beispielsweise aber nicht beschränkend, dem Kolben, einem Ölbehälter, einer Nockenwelle oder einem Kolbenring. Ferner kann die Methodologie auf Motoren mit verschiedenen Ausgestaltungen angewendet werden, die z. B. eine variierende Anzahl von Zylindern aufweisen. Die Knoten können z. B. einen physikalischen Ort darstellen, der einer Position an der Motorkomponente entspricht. Zum Beispiel kann der Knoten einen Abschnitt einer Zylinderlaufbuchse in einem Zylinder darstellen.
In Schritt 108 wird eine Wärmekapazität an jedem der Knoten ermittelt. Die Wärmekapazität basiert beispielsweise auf der Geometrie, den Materialeigenschaften und der Temperatur der Motorkomponenten oder eines Abschnitts hiervon, der jeden Knoten darstellt. In Schritt 110 wird an jedem der Knoten eine Wärmequelle ermittelt, um eine Wärmeerzeugung von der Motorkomponente zu berücksichtigen, in der sich der Knoten befindet. Die Wärmeerzeugung oder Wärmeabgabe kann durch Reibung, Verbrennung oder andere Verluste in dem Motor erzeugt werden. Somit werden Werte für diese Wärmequellen beispielsweise unter Verwendung von Fahrzeugbetriebsparametern berechnet, die die Motordrehzahl, die Motorlast, den Krümmerdruck und die Kraftstoffströmungsrate umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
In Schritt 112 werden zwischen allen Knoten Wärmetransferpfade ermittelt. Es sei angemerkt, dass in dem Verbrennungsmotor alle Knoten Warme austauschen können. Bei anderen Beispielen können die Knoten derart angeordnet sein, dass zwischen zwei oder mehreren der Knoten kein Wärmetransfer stattfindet, da ein Knoten von einem anderen Knoten thermisch isoliert sein kann. Es sei angemerkt, dass eine oder mehrere der geeigneten Gleichungen für einen Wärmetransfer (d. h. Konduktion, Konvektion, Strahlung und/oder Advektion) verwendet werden, um die Wärmetransferpfade zu ermitteln. In Schritt 114 werden Widerstände entlang jedem der Wärmetransferpfade ermittelt. Die Widerstände basieren beispielsweise auf der Geometrie der Motorkomponente, der Strömungsrate zu und von der Motorkomponente und Materialeigenschaften der Motorkomponenten oder Abschnitten hiervon.
In Schritt 116 werden Motortemperaturen und Wärmetransferraten unter Verwendung des detaillierten Mehrfachzylinder-Motortemperaturmodells, wie es in dem ersten Abschnitt 102 der Methodologie aufgebaut wird, ermittelt. Um die Temperaturen und Wärmetransferraten zu ermitteln, wird der Motor über mehrere Motorarbeitspunkte betrieben, die von einem standardisierten Motortest ausgewählt werden. Der Test umfasst beispielsweise mehrere Testpunkte, die einer bestimmten Last an dem Motor bei einer bestimmten Motordrehzahl für vorbestimmte Zeitdauern entsprechen können. Das detaillierte Mehrfachzylindermodell, das ein detailliertes Wärmetransfermodell des Motors ist, ermittelt die Motortemperaturen und Wärmetransferraten auf der Grundlage davon, wie während des Tests über mehrere Motorarbeitspunkte Wärme erzeugt und in dem Motor transferiert wird. Es sei angemerkt, dass das detaillierte Modell eingestellt werden kann, um Motortemperaturen und Wärmetransferpfade durch Bestätigen von geschätzten Temperaturen mit gemessenen Temperaturen und Iterieren des Entwurfs des detaillierten Modells, wie es in dem ersten Abschnitt 102 der Methodologie erzeugt wird, besser vorherzusagen.
Es sei auch angemerkt, dass das detaillierte Modell Metalltemperaturen verschiedener Motorkomponenten und Abschnitten hiervon relativ zu physikalisch eingebauten Temperatursensoren genau schätzen kann. Das detaillierte Modell kann genau geschätzte Motortemperaturen und Wärmetransferraten liefern, jedoch kann es beispielsweise aufgrund von Abwandlungen und zusätzlicher Rechenleistung, die erforderlich sind, komplex und teuer sein, das detaillierte Modell in ein Motorsteuersystem zu implementieren. Das detaillierte Modell kann jedoch vereinfacht werden und immer noch eine genaue Steuerung liefern. In Schritt 118 wird das in dem ersten Abschnitt 102 der Methodologie erzeugte detaillierte Modell vereinfacht. Das vereinfachte Modell behält alle Parameter bei, die benötigt werden, um Motortemperaturen vorherzusagen, wie beispielsweise Kühlmittelströmungsrate, Motordrehzahl und Kraftstoffströmungsrate, ist jedoch weniger komplex und kann daher einfacher an dem Fahrzeug realisiert werden. Beim Vereinfachen des detaillierten Modells können verschiedene Ausgestaltungen und Auflösungen verwendet werden, so dass durch das vereinfachte Modell geschätzte Temperaturen mit jenen übereinstimmen, die mit dem detaillierten Modell über einen ausreichenden Bereich von Motorbetriebsszenarien erhalten werden.
Das vereinfachte Modell umfasst ein System von Differentialgleichungen erster Ordnung, die für mehrere Motorknotenansammlungen erzeugt werden. Es sei angemerkt, dass die Anzahl von Motorknotenansammlungen auf der Grundlage des spezifischen Motors ungeachtet dessen variieren können, dass fünf Motorknotenansammlungen ermittelt wurden, um das beste Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Komplexität bereitzustellen. Die Motorknotenansammlungen sind, während sie keine tatsächlichen physikalischen Orte aufweisen, ideale Anhäufungen aller jeweiliger Knoten, die sich beispielsweise an dem Motorblock, dem Zylinderkopf, der Ventilbrücke, der Zylinderlaufbuchse und dem Motorkühlmittel befinden. Genauer gesagt werden die Knoten an der Ventilbrücke für jeden Zylinder zu einer Ventilbrückenknotenansammlung kombiniert, und die Temperatur dieser Knotenansammlung ist der kombinierte Metalltemperaturschätzwert der jeweiligen Knoten, verfolgt über der Zeit. Die Wärmekapazitäten und Wärmequellen jeder der Knotenansammlungen können die Summen der entsprechenden Werte von allen Knoten in dem detaillierten Mehrfachzylindermodell umfassen. Der Widerstand der Wärmetransferpfade in den Knotenansammlungen kann die Summe des Widerstands von den Knoten darstellen, die eingestellt werden kann, um sicherzustellen, dass die verschiedenen Motorkomponenten in dem vereinfachten Modell thermische Energie mit Raten austauschen, die denen in dem detaillierten Modell ähnlich sind.
Das vereinfachte Modell umfasst daher ein beispielhaftes System von Differentialgleichungen erster Ordnung für die Knotenansammlungen, die das vereinfachte Modell definieren. Es sei angemerkt, dass es sein kann, dass das System von Differenzgleichungen erster Ordnung nicht linear ist, aber die durch das detaillierte Mehrfachzylindermodell erzeugten Werte geeignet verfolgt. Jede der Gleichungen verfolgt für die jeweiligen Knotenansammlungen die Temperatur über der Zeit.
Die beispielhafte Gleichung erster Ordnung für den Zylinderkopf ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte Gleichung erster Ordnung für die Ventilbrücke ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte Gleichung erster Ordnung für den Motorblock ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte Gleichung erster Ordnung für die Zylinderlaufbuchse ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte Gleichung erster Ordnung für das Kühlmittel ist wie folgt gegeben:
Für die Koeffizienten in den obigen Gleichungen werden Werte durch Laufenlassen des detaillierten Mehrfachzylindermodells durch eine vorbestimmte Routine, wie beispielsweise den oben erwähnten beispielhaften Motortest, erzeugt. Bei den obigen Gleichungen bezieht sich der Koeffizient G_XY auf den Wärmetransfer zwischen einem beliebigen Ort X und einem beliebigen Ort Y. G_HC bezieht sich beispielsweise auf den Wärmetransfer zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorkühlmittel. Q_X bezieht sich auf die an einem beliebigen Ort X erzeugte Wärme. Q_B bezieht sich beispielsweise auf die in dem Motorblock erzeugte Wärme. Mittels des obigen Beispiels wird das detaillierte Modell in einem Modus eines stationären Zustands für mehrere Punkte laufen gelassen, die von einem standardisierten Motortest ausgewählt werden, um die zuvor erwähnten Koeffizienten zu erzeugen. Sobald die Koeffizienten der obigen Gleichungen in dem detaillierten Modell erzeugt sind, werden die Koeffizienten an das vereinfachte Modell angepasst. Es sei angemerkt, dass die Vereinfachung des detaillierten Mehrfachzylindermodells ein iterativer Prozess ist, bei dem Ergebnisse, die von dem vereinfachten Modell erhalten werden, mit Ergebnissen von dem detaillierten Modell und von einer tatsächlichen Messung verglichen werden können, so dass das vereinfachte Modell genauer gemacht werden kann. Während die Vereinfachung des detaillierten Modells nichtlineare Gleichungen erzeugen kann, sind die Gleichungen weniger komplex und können in einem Fahrzeugsteuersystem realisiert werden.
In Schritt 120 wird ermittelt, ob das in Schritt 118 erzeugte Modell genau ist. Die Genauigkeit des vereinfachten Modells basiert auf Ergebnissen des standardisierten Motortests, die verwendet werden, um die Koeffizienten der Gleichungen zu erzeugen, welche in Schritt 118 erzeugt werden. Das vereinfachte Modell wird als genau betrachtet, wenn die Metall- und Kühlmitteltemperaturschätzwerte über einer Zeitdauer an den Knotenansammlungen von dem vereinfachten Modell innerhalb einer vorbestimmten Fehlerspanne der Schätzwerte von dem detaillierten Modell liegen. Wenn das vereinfachte Modell ungenau ist, wird das vereinfachte Modell in Schritt 122 neu formuliert. Die Neuformulierung des vereinfachten Modells kann beispielsweise umfassen, dass die Anpassung der Polynome eingestellt wird, um nichtlineare Gleichungen erster Ordnung zu erzeugen. Wenn das vereinfachte Modell genau ist, werden in Schritt 124 Linearisierungspunkte ausgewählt.
In Schritt 124 werden mehrere Arbeits- oder Linearisierungspunkte aus dem standardisierten Motortest ausgewählt, die Punkte sind, um die die obigen Gleichungen linearisiert werden. Die Arbeitspunkte oder Linearisierungspunkte umfassen bekannte Temperaturen und Kühlmittelströmungsraten durch den Motor. Die Arbeitspunkte umfassen auch verschiedene Motordrehzahlen, Kraftstoffströmungsraten und Kühlmitteltemperaturen des Motors. Es sei angemerkt, dass die Arbeitspunkte von dem gleichen standardisierten Motortest ausgewählt werden können, der verwendet wird, um die Koeffizienten für die obigen Gleichungen zu erzeugen und das detaillierte Mehrfachzylindermodell iterativ zu verbessern.
In Schritt 126 wird das vereinfachte Modell, wie es bei den obigen beispielhaften nichtlinearen Gleichungen für den Kopf, die Ventilbrücke, den Block, die Laufbuchse und die Kühlmitteltemperaturen gezeigt ist, um einen ausgewählten Arbeitspunkt linearisiert. Techniken, die zum Linearisieren der obigen beispielhaften Gleichungen verwendet werden, können beispielsweise Taylorreihenentwicklungen umfassen. Die beispielhafte linearisierte Gleichung für den Zylinderkopf ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte linearisierte Gleichung für die Ventilbrücke ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte linearisierte Gleichung für den Motorblock ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte linearisierte Gleichung für die Zylinderlaufbuchse ist wie folgt gegeben:
Die beispielhafte linearisierte Gleichung für das Kühlmittel ist wie folgt gegeben:
Bei den beispielhaften linearisierten Gleichungen bezieht sich Q_X auf die Wärme, die an den sich an einem beliebigen Ort X befindenden Knotenansammlungen erzeugt wird und auf der Motordrehzahl und der Kraftstoffströmung basieren kann. Q_B bezieht sich beispielsweise auf die Wärme, die an der sich in dem Motorblock befindenden Knotenansammlung erzeugt wird.
In Schritt 128 wird ermittelt, ob das linearisierte Modell genau ist. Ergebnisse von dem linearisierten Modell an jedem Linearisierungspunkt werden mit jenen verglichen, die mit dem detaillierten Modell aus dem ersten Abschnitt 102 der Methodologie berechnet werden. Ein Arbeitspunkt oder Linearisierungspunkt wird als der beste Linearisierungspunkt ausgewählt, wenn die Ergebnisse von dem vereinfachten Modell am engsten mit den Ergebnissen von dem linearisierten Modell an dem Linearisierungspunkt übereinstimmen. Wenn das linearisierte Modell nicht genau ist, wird in Schritt 130 ein anderer Linearisierungspunkt ermittelt. Der Linearisierungspunkt, der die beste Übereinstimmung zwischen dem linearisierten Modell und dem vereinfachten Modell erzeugt, wird der Linearisierungspunkt für das gesamte System. Wenn das linearisierte Modell als genau erachtet wird, fährt die Methodologie mit Schritt 132 fort.
In Schritt 132 werden Anfangszustände ermittelt. Genauer gesagt werden die Anfangstemperaturen für das Kühlmittel am Eingang und Ausgang des Motors ermittelt und mit dem linearen Modell in Verbindung gebracht. Es sei angemerkt, dass, wenn die Anfangszustände bekannt sind, das lineare Modell gelöst werden kann, um an den Knotenansammlungen, die den Metalltemperaturschätzwerten an jedem der Knoten entsprechen, Echtzeittemperaturen zu erzeugen. Es sei angemerkt, dass die Anfangstemperaturen, wenn das Fahrzeug kalt ist, gleich der Umgebungstemperatur sein können. Wenn das Fahrzeug nach einer kurzen Abschaltezeitdauer gestartet wird, können beispielsweise die Anfangstemperaturen in dem Motor verschieden sein, so dass das Kühlmittel, das in den Motor eintritt, eine andere Temperatur aufweisen kann als das Kühlmittel, das aus dem Motor austritt.
Die linearisierten Gleichungen können die Anfangszustände von Schritt 132 umfassen und in Form einer Matrix wie folgt dargestellt werden:
Es sei angemerkt, dass jede Unsicherheit bei den Anfangszuständen oder jede Störung der Anfangszustände zu einem Fehler bei den geschätzten Echtzeittemperaturen führen kann, die durch Lösen der obigen Matrix von Gleichungen ermittelt werden. Es sei ferner angemerkt, dass der durch die Unsicherheit oder Störungen verursachte Fehler während der Lösung der Differentialgleichungen integriert wird und das System in einen instabilen Zustand bringen kann.
In Schritt 134 ermittelt das Steuersystem geschätzte Metall- und Kühlmitteltemperaturen an den Knotenansammlungen, die Temperaturen an den Knoten an den mehreren Motororten entsprechen. Es sei angemerkt, dass Temperaturschätzwerte durch eine Verstärkung eingestellt werden können. Es sei auch angemerkt, dass die Schätzung von Metall- und Kühlmitteltemperaturen auf dem linearen Modell basieren kann.
In Schritt 136 wird eine gemessene Motorkühlmittel-Isttemperatur (d. h. T_CA) ermittelt. Die Motorkühlmitteltemperatur wird beispielsweise an einem Ort ermittelt, an dem das Kühlmittel den Motorblock auf dem Weg zu dem Kühler verlässt. Wie in der nachstehenden Gleichung gezeigt kann die gemessene Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um das lineare Modell zu stabilisieren. In Schritt 138 wird ermittelt, ob der Fehler zwischen der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) und der durch das lineare Modell geschätzten Kühlmitteltemperatur (d. h. T_CE) innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne liegt. Wenn der Fehler zwischen der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) und der durch das lineare Modell geschätzten Kühlmitteltemperatur (T_CE) nicht innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne liegt, wird in Schritt 140 eine geeignete Verstärkung ermittelt. Die in Schritt 140 ermittelte Verstärkung kann auf dem Fehler, wie er in Schritt 138 ermittelt wird, und den Methodologieparametern basieren, die anderweitig eine höhere oder eine niedrigere Verstärkung erfordern können. Von Schritt 140 springt die Steuerung in einer Schleife zurück zu Schritt 134 und multipliziert die geschätzte Kühlmitteltemperatur mit der Verstärkung.
Die Verstärkung, die von der Differenz zwischen der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) und der geschätzten Kühlmitteltemperatur (T_CE) abgeleitet wird, stellt der Methodologie eine Rückkopplungsschleife für die linearisierten Gleichungen bereit und macht das lineare Modell selbstkorrigierend. Eine beispielhafte selbstkorrigierende Rückkopplungsschleife in einem beispielhaften linearen Modell lautet in Matrixform wie folgt:
Die Rückkopplungsschleife ermöglicht dem linearen Modell, Metalltemperaturen in dem Motor für jeden transienten Betriebszustand genau zu schätzen. Es sei angemerkt, dass der Satz von Verstärkungen, die in der Rückkopplungsschleife verwendet werden, ausgewählt und gegen das vereinfachte (d. h. nichtlineare) System von Differentialgleichungen und schließlich gegen das detaillierte Motormodell validiert werden kann, um genaue Vorhersagen von Systemtemperaturen in einem Motor zu erreichen.
In Bezug auf 3 ist ein beispielhaftes Steuersystem gezeigt, das die Metalltemperatur an einer Motorkomponente abgeleitet von der Methodologie, die in 2 gezeigt ist, schätzt. In Schritt 202 misst die Steuerung Anfangstemperaturen des Kühlmittels an dem Eingang und dem Ausgang des Motors. Es sei angemerkt, dass das Kühlmittel in dem Motor bei einem kalten Motor etwa die gleiche Temperatur wie die Umgebungstemperaturen aufweisen kann. Eine Ermittlung von Anfangstemperaturen in einem warmen Motor kann jedoch beispielsweise stattfinden, wenn ein Motor innerhalb einer kurzen Zeitdauer (d. h. weniger als zwanzig Minuten) nachdem er abgeschaltet wurde, gestartet wird.
In Schritt 204 ermittelt die Steuerung an jedem Knoten geschätzte Metall- und Kühlmitteltemperaturen basierend auf dem linearen Modell, wie es oben beschrieben ist. Die Knoten des Motors befinden sich beispielsweise in dem Motorblock, dem Zylinderkopf, der Ventilbrücke, der Zylinderlaufbuchse und dem Motorkühlmittel. Es sei angemerkt, dass die geschätzten Metall- und Kühlmitteltemperaturen auf der Grundlage einer in Schritt 212 ermittelten Verstärkung eingestellt werden können. In Schritt 206 ermittelt die Steuerung eine gemessene Kühlmitteltemperatur auf der Grundlage einer Temperaturmesseinrichtung, die sich in dem Motorkühlmittel befindet. Die Orte der Temperatureinrichtung und des Motorkühlmittels können sich beispielsweise an dem Ausgang des Motorblocks befinden, an dem das Motorkühlmittel von dem Motorblock zu dem Kühler geführt wird. In Schritt 208 ermittelt die Steuerung, ob die geschätzte Kühlmitteltemperatur (T_CE) gleich der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) ist. Wenn die geschätzte Kühlmitteltemperatur (T_CE) innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) liegt, endet die Steuerung. Wenn die geschätzte Kühlmitteltemperatur (T_CE) nicht innerhalb einer akzeptablen Fehlerspanne der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CE) liegt, fährt die Steuerung mit Schritt 210 fort.
In Schritt 210 wird der Fehler zwischen der geschätzten Kühlmitteltemperatur (T_CE) und der gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur (T_CE) ermittelt. In Schritt 212 wird auf der Grundlage des Fehlers und anderer Parameter und Variablen von dem Steuersystem, die anderweitig eine Erhöhung oder eine Verringerung der Verstärkung erfordern können, eine Verstärkung ermittelt. Es sei angemerkt, dass die anderen Parameter beispielsweise Betriebsparameter und eine Kommunikation von dem Telematikmodul umfassen können. Von Schritt 212 springt die Steuerung in einer Schleife zurück zu Schritt 204, und einer oder mehrere der Metall- oder Kühlmitteltemperaturschätzwerte können mit der Verstärkung multipliziert werden. Es sei angemerkt, dass der mit der Verstärkung multiplizierte Temperaturschätzwert idealerweise mit der gemessenen Isttemperatur übereinstimmt, die in Schritt 202 ermittelt wird.
In Schritt 214 verteilt die Steuerung Motorkühlmittel an Orte in dem Motor durch Einstellen der Position eines Ventils und einer Strömungsrate der Wasserpumpe. Die Verteilung von Kühlmittel kann in vorbestimmten Verhältnissen zu der Oberseite des Motors und zu der Unterseite des Motors stattfinden. Es sei angemerkt, dass ein Dreiwegeventil gezeigt ist (1), dass jedoch eine Vielzahl von Ventilen mit geeigneten Ausgestaltungen verwendet werden kann, die auf spezifischen Motorausgestaltungen basieren. Somit kann die Steuerung eine Vielzahl von Ventilen und eine Vielzahl von Wasserpumpen über verschiedene Kühlmittelverteilungsausgestaltungen, die auf spezifischen Motoren basieren, anweisen, um den Motor angemessen zu kühlen.
In Bezug auf 4 ist ein beispielhaftes Temperaturschätzermodul 300 gezeigt. Das beispielhafte Temperaturschätzermodul 300 erzeugt ein geschätztes Metalltemperatursignal 302 und ein geschätztes Kühlmitteltemperatursignal 304. Das Metalltemperatursignal kann beispielsweise Metalltemperaturen (T_ME) an den mehreren Knoten umfassen, die den mehreren Motororten entsprechen. Das Kühlmitteltemperatursignal kann beispielsweise Kühlmitteltemperaturen (T_CE) an den mehreren Knoten umfassen, die den mehreren Motororten entsprechen.
Das geschätzte Metalltemperatursignal 302 und das geschätzte Kühlmitteltemperatursignal 304 basieren auf einem Verstärkungseinstellsignal 306 und einem Kühlmittel-Isttemperatursignal 308. Der Motor 12 (1) umfasst einen Kühlmitteltemperaturdetektionssensor 310, der das Kühlmittel-Isttemperatursignal 308 erzeugt. Es sei angemerkt, dass das Kühlmittel-Isttemperatursignal 308 beispielsweise ein Signal von einer Temperaturmesseinrichtung sein kann, die die Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) misst. Ein Vergleichsmodul 312 erzeugt auf der Grundlage des Kühlmittel-Isttemperatursignals 308 und des geschätzten Kühlmitteltemperatursignals 304 ein Vergleichssignal 314. Das Vergleichsmodul kann beispielsweise eine Differenz zwischen der Kühlmittel-Isttemperatur (T_CA) und den geschätzten Kühlmitteltemperaturen (T_CE) ermitteln.
Ein Verstärkungseinstellmodul 316 erzeugt auf der Grundlage eines Verstärkungssteuersignals 318 und des Vergleichssignals 314 ein Verstärkungseinstellsignal 306. Es sei angemerkt, dass das Verstärkungseinstellmodul 316 das Verstärkungseinstellsignal 306 auch auf der Grundlage von Betriebsparametern 56 (1) und einer Kommunikation mit dem Telematikmodul 58 (1) erzeugen kann. Es kann ferner angemerkt werden, dass das Verstärkungseinstellsignal auf einer spezifischen Fahrzeugmodellinformation basieren kann. Das Metall- und Kühlmitteltemperatur-Detektionsmodul kann basierend auf dem Verstärkungseinstellsignal 306 eine Verstärkung einstellen. Das geschätzte Metalltemperatursignal 302 und das geschätzte Kühlmitteltemperatursignal 304 können basierend auf der Verstärkung eingestellt werden, um eine Genauigkeit der Schätzungen zu erhöhen.
Das Steuersystem 54 kann auf der Grundlage des geschätzten Metalltemperatursignals 302 und des geschätzten Kühlmitteltemperatursignals 304 Kühlmittel an die mehreren Motororte verteilen. Die mehreren Motororte können beispielsweise den Motorblock, den Zylinderkopf, die Ventilbrücke, die Zylinderlaufbuchse, das Motoraustrittskühlmittel und Abschnitte hiervon umfassen. Andere Motororte können Orte umfassen, die für das Fahrzeugmodell spezifisch sind.

Claims

Verfahren zum Schätzen von Temperaturen in einem Motor, das umfasst, dass Metalltemperaturen an jedem mehrerer Knoten geschätzt werden; eine Kühlmitteltemperatur geschätzt wird; eine gemessene Kühlmitteltemperatur detektiert wird; eine Verstärkung auf der Grundlage einer Differenz zwischen der geschätzten Kühlmitteltemperatur und der gemessenen Kühlmitteltemperatur ermittelt wird; und die Metalltemperaturen an jedem der mehreren Knoten durch Multiplikation mit der Verstärkung eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass auf der Grundlage der Temperaturen eine Menge von Motorkühlmittel an mehrere Motororte verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass an jedem der mehreren Knoten eine Wärmekapazität ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass an jedem der mehreren Knoten eine Wärmeerzeugung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass zwischen jedem der mehreren Knoten ein Wärmetransferpfad ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass entlang einem Wärmetransferpfad zwischen jedem der mehreren Knoten ein Widerstand ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass Anfangstemperaturen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anfangstemperaturen eine Motoraustrittskühlmitteltemperatur umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anfangstemperaturen eine Motoreintrittskühlmitteltemperatur umfassen.
Verfahren zum Entwerfen eines Motorkomponenten-Temperaturschätzers, das umfasst, dass mehrere Knoten an mehreren Motororten definiert werden; eine thermische Information an jedem der Knoten ermittelt wird; ein detailliertes thermisches Modell des Motors auf der Grundlage der mehreren Knoten und der thermischen Information erzeugt wird; die mehreren Knoten zu mehreren Knotenansammlungen kombiniert werden, wobei jede Knotenansammlung die Knoten von jedem der Motororte umfasst; ein vereinfachtes thermisches Modell des Motors auf der Grundlage des detaillierten thermischen Modells und der mehreren Knotenansammlungen erzeugt wird; Metall- und Kühlmitteltemperaturen einschließlich einer geschätzten Kühlmitteltemperatur auf der Grundlage des vereinfachten thermischen Modells geschätzt werden; die geschätzte Kühlmitteltemperatur mit einer gemessenen Kühlmitteltemperatur verglichen wird; auf der Grundlage des Vergleichs zwischen der geschätzten Kühlmitteltemperatur und der gemessenen Kühlmitteltemperatur eine Verstärkung ermittelt wird; und die geschätzten Metall- und Kühlmitteltemperaturen auf der Grundlage des Vergleichs durch Multiplikation mit der Verstärkung eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die mehreren Motororte einen Motorblock und/oder einen Zylinderkopf und/oder eine Ventilbrücke und/oder eine Zylinderlaufbuchse und/oder ein Austrittsmotorkühlmittel und/oder Abschnitte hiervon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die thermische Information eine Wärmekapazität an jedem der Knoten und/oder eine Wärmeerzeugung an jedem der Knoten und/oder einen Wärmetransfer zwischen jedem der Knoten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfasst, dass das vereinfachte Modell um einen Linearisierungspunkt linearisiert wird.
Steuersystem für ein Kühlsystem eines Fahrzeugs, umfassend: ein Temperaturschätzermodul, das Metall- und Kühlmitteltemperaturen an mehreren Motororten auf der Grundlage einer gemessenen Kühlmittel-Isttemperatur und einer Verstärkung schätzt; ein Vergleichsmodul, das ein Vergleichssignal auf der Grundlage der Kühlmittel-Isttemperatur und einer geschätzten Kühlmitteltemperatur erzeugt; und ein Verstärkungseinstellmodul, das die Verstärkung auf der Grundlage des Vergleichssignals einstellt; wobei das Temperaturschätzermodul die geschätzten Metalltemperaturen durch Multiplikation mit der Verstärkung einstellt.
Steuersystem nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Kühlsystem, das auf der Grundlage der Schätzwerte der Metall- und Kühlmitteltemperaturen ein Motorkühlmittel an die mehreren Motororte verteilt.
Steuersystem nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Steuermodul, das die gemessene Kühlmitteltemperatur detektiert.
Steuersystem nach Anspruch 14, wobei die mehreren Motororte einen Motorblock, einen Zylinderkopf, eine Ventilbrücke, eine Zylinderlaufbuchse, ein Motoraustrittskühlmittel und Abschnitte hiervon umfassen.
Steuersystem nach Anspruch 14, wobei das Verstärkungseinstellmodul die Verstärkung auf der Grundlage von Betriebsparametern einstellt.
Steuersystem nach Anspruch 14, wobei das Verstärkungseinstellmodul die Verstärkung auf der Grundlage eines Signals von einem Telematikmodul einstellt.