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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer
Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur
Durchführung
eines solchen Verfahrens und weiterhin ein Computerprogramm.
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Zur
Erreichung höchster
Leistungen von Brennkraftmaschinen werden Turbolader der Brennkraftmaschinen
sehr nahe an ihrer thermischen Grenze betrieben. Zur Überwachung
der Abgastemperatur (im Folgenden auch als T3 bezeichnet) kann ein
Abgastemperatursensor verwendet werden, um bei einer drohenden Überhitzung
des Turboladers Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine zu verändern.
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Nachteilig
an dem genannten Verfahren ist, dass der Abgastemperatursensor eine
große
Verzögerung
aufweist, so dass ein zuverlässiger
Schutz des Turboladers auf diese Weise nur bedingt gewährleistet
werden kann.
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Weiterhin
ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen ohnehin vorhandenen
Lambda-Sensor zur
Begrenzung der Abgastemperatur heranzuziehen. Der von dem Lambda-Sensor
gemessene Lambda-Wert kann als Anhaltspunkt für die Abgastemperatur verwendet
werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Lambda-Sensor hochdynamisch ist,
d. h. er ist dazu geeignet, schnell aufeinander folgende Messungen
des Lambda-Wertes vorzunehmen. Nachteilig ist allerdings, dass die
Abgastemperatur nur ungenau aus dem Lambda-Wert ermittelt werden
kann, da sie auch von anderen Einflussfaktoren abhängig ist,
so dass die Temperaturschätzung über den
Lambda-Wert eine Toleranz von etwa +/– 50 K aufweist. Eine solch
hohe Toleranz ist unbefriedigend.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Vorrichtung sowie ein Computerprogramm anzugeben,
mit denen jeweils eine hochdynamische Bestimmung der Abgastemperatur
bei gleichzeitiger Minimierung der Toleranz möglich ist.
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Allgemein
ist es eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu verbessern.
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Die
genannte Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine
umfassend die Schritte: Messen eines Lambda-Wertes des Abgases der Brennkraftmaschine,
Berechnen einer berechneten Abgastemperatur in Abhängigkeit
des gemessenen Lambda-Werts, Vergleichen der berechneten Abgastemperatur
mit einer gemessenen Abgastemperatur und Adaption einer für die Berechnung
verwendeten Funktion in Abhängigkeit
von dem Vergleich.
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Unter
Funktion wird hierbei ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem
Lambda-Wert und der Abgastemperatur verstanden. Allgemein kann eine
solche Funktion auch in Form einer Tabelle vorliegen, die interpolierbar
ist. Die gemessene Abgastemperatur wird mit einem herkömmlichen
Abgastemperatursensor gemessen. Der Lambda-Wert wird mit einem bekannten
Lambda-Sensor gemessen und gibt Aufschluss über die chemische Zusammensetzung
des Abgases. Es wird vorgesehen, dass das Verfahren wiederholt ausgeführt wird,
so dass sich die Adaption der für
die Berechnung verwendeten Funktion bei einer nachfolgenden Berechnung
auswirkt, so dass die nachfolgende Berechnung eine höhere Genauigkeit
aufweist. Dies ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Abgastemperatur hochdynamisch bestimmt werden
kann, da der Lambda-Sensor in schneller Abfolge zeitnah Messwerte
für den
Lambda-Wert liefert. Die Adaption der Funktion kann beispielsweise
durch Anpassen eines Parameters, wie beispielsweise einem Vorfaktor
für den
als Eingangsparameter verwendeten Lambda-Wert, erfolgen.
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Vorteilhafterweise
wird die Abgastemperatur für
den Vergleich gemessen, wenn die Brennkraftmaschine in einem im
Wesentlichen stationären
Arbeitspunkt betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass der Vergleich
nicht durch Ungenauigkeiten beeinflusst wird, welche durch eine zeitliche
Verschiebung zwischen der Messung des Lambda-Wertes und der Messung
der Abgastemperatur erfolgen. Eine weitere Quelle für Ungenauigkeiten
bei einem instationären
Betrieb der Brennkraftmaschine kann darin begründet sein, dass die Abgastemperatur
beispielsweise bei einem Hochfahren der Last der Brennkraftmaschine
einer Hysterese folgt. Unter einem im Wesentlichen stationären Arbeitspunkt
wird ein quasi-stationärer
Arbeitspunkt verstanden, d. h. die Brennkraftmaschine wird beispielsweise
unter im Wesentlichen gleich bleibender Last bei im Wesentlichen
gleich bleibenden Temperaturen betrieben. Dies kann eine Autobahnfahrt
eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs mit konstanter
Geschwindigkeit in der Ebene sein. Unter im Wesentlichen gleich
bleibend oder quasi-stationär wird
hierin verstanden, dass der Arbeitspunkt oder die betreffenden Parameter
bestimmte Toleranzgrenzen für
eine bestimmte Zeit nicht verlassen. Die bestimmte Zeit ist vorzugsweise
so gewählt,
dass verzögerte
Veränderungen
der Abgastemperatur auszuschließen
sind.
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Vorzugsweise
wird eine Mehrzahl von Vergleichen vorgenommen, wobei die Anpassung
der Funktion eine Interpolation zwischen diesen Vergleichen oder
eine Extrapolation über
diese Vergleiche umfasst. Die Vergleiche werden vorzugsweise bei verschiedenen
Arbeitspunkten der Brennkraftmaschine vorgenommen, d. h. es werden
bei verschiedenen Arbeitspunkten der Brennkraftmaschine jeweils
eine gemessene Abgastemperatur und eine berechnete Abgastemperatur
ermittelt und verglichen. Dabei können über einen längeren Zeitraum verschiedene
Vergleichswerte, d. h. berechnete Abgastemperaturen und gemessene
Abgastemperaturen bei jeweils verschiedenen Arbeitspunkten der Brennkraftmaschine
aufgenommen werden, um die für
die Berechnung verwendete Funktion mit diesen mehreren Stützwerten
oder Stützstellen,
d. h. aus den Vergleichen berechnete Fehler der Funktion, anzupassen.
Dabei wird vorteilhafterweise darauf geachtet, dass ermittelte Wertepaare
der berechneten Abgastemperatur und der gemessenen Abgastemperatur ausreichend
weit voneinander entfernt sind, d. h. dass die Parameter dieser
Wertepaare nicht innerhalb eines Toleranzbereichs der Parameter
eines jeweils anderen Wertepaares liegen. Dies dient dazu, den Rechenaufwand
bei der Adaption der Funktion zu minimieren. Vorzugsweise werden
Wertepaare gesammelt, die im wesentlichen gleich verteilt sind über einen
Parameterbereich, wobei berücksichtigt wird,
dass für
extreme Arbeitspunkte der Brennkraftmaschine eine Wertepaar- oder
Stützstellen-Ermittlung
wahrscheinlich nicht eintritt. Bei einer zuvor bestimmten, ausreichenden
Anzahl Wertepaare wird die Adaption der Funktion vorgenommen.
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Vorzugsweise
sind die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Ansauglufttemperatur
der Brennkraftmaschine oder die Temperatur der Brennkraftmaschine
neben dem Lambda-Wert weitere Parameter der Funktion. Die Temperatur
der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Öltemperatur der Brennkraftmaschine.
Dies bietet den Vorteil, dass die Berechnung der berechneten Abgastemperatur
genauer wird. Insbesondere hat sich in der Praxis gezeigt, dass
durch Systembedingte Toleranzen oder im Lauf der Lebensdauer einer
Brennkraftmaschine sich die Abhängigkeit
des Zusammenhangs zwischen dem Lambda-Wert und der Abgastemperatur auch
in Abhängigkeit
der Drehzahl der Brennkraftmaschine ändern kann.
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Allgemein
lassen sich am thermischen System der Brennkraftmaschine folgende
physikalische Zusammenhänge
ermitteln, mit denen sich eine funktionale Beziehung, d. h. die
Funktion für
die Abgastemperatur in Abhängigkeit
von verschiedenen, insbesondere den oben genannten, Parameter aufstellen
lässt.
So ist der Wärmestrom ΔQ etwa abzuschätzen als ΔQ
~ cW × ΔmL × ΔT3, (1)wobei
cW der Wärmekoeffizient
des Abgases, mL die Luftmasse und T3 die
Abgastemperatur ist. Weiterhin ist der Wärmestrom ΔQ das Produkt aus der Einspritzmenge
(mE = Einspritzmasse) und des Heizwerts
des verbrannten Kraftstoffs (Hu = Heizwert Kraftstoffmasse): ΔQ
= Hu·ΔmE. (2)
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Bei
Verwendung dieser Gleichungen und anderer physikalischer Zusammenhänge, wie
beispielsweise dem Zusammenhang zwischen der Luftmasse, der Drehzahl
der Brennkraftmaschine (m) und der Temperatur der angesaugten Luft
(TLuft oder T2) lässt sich folgender Zusammenhang
aufstellen: T3 = a(1/λ, n) + b1(q, n)·b2(TLuft,, n) + c1(q, n)·c2(n, TÖl). (3)
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Dabei
ist q die Soll-Einspritzmenge und TÖl die Öltemperatur
der Brennkraftmaschine. Im Rahmen der Erfindung wird nun vorzugsweise
mindestens eine der Teilfunktionen aus a, b1,
b2, c1 und c2 angepasst.
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Vorteilhafterweise
besteht die Funktion, wie zuvor beschrieben, aus Teilfunktionen,
wobei nur ein Bruchteil von allen der Teilfunktionen angepasst wird. Es
hat sich herausgestellt, dass die meisten der Teilfunktionen des
oben angeschriebenen funktionellen Zusammenhangs (3), d.
h. der Funktion für
die Abgastemperatur, nur in einem geringen Maß Parameterstreuung unterlegen
sind. Dies gilt insbesondere für b1, b2, c1 und
c2. Dies bietet den Vorteil, dass die Adaption
der Funktion einfacher gestaltet werden kann. Besondere Vorteile
ergeben sich, wenn nur eine Teilfunktion angepasst wird. Vorzugsweise
weist eine der angepassten Teilfunktionen ausschließlich den Lambda-Wert
oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine als Parameter auf. Besonders
bevorzugt wird, dass nur die Teilfunktion angepasst wird, welche
den Lambda-Wert und die Drehzahl der Brennkraftmaschine als Parameter
aufweist. Dies ist bei der oben angeschriebenen Funktion für die Abgastemperatur nur
die Teilfunktion a. Vorzugsweise wird nicht die Teilfunktion a selbst
angepasst, sondern eine zusätzliche
Teilfunktion d(1/λ,
n) eingeführt,
welche die adaptive Korrektur aufnimmt. Die Formel für die Abgastemperatur
lautet dann: T3 = a(1/λ, n) + b1(q, n)·b2(TLuft,, n) + c1(q, n)·c2(n, TÖl) + d(1/λ, n). (4)
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Vorzugsweise
wird mindestens eine der Teilfunktionen zuvor an einer anderen Brennkraftmaschine
ermittelt. Mit einer anderen Brennkraftmaschine ist insbesondere
der so genannte „goldene
Motor" gemeint,
also beispielsweise eine typengleiche Brennkraftmaschine, die auf
einem Prüfstand
oder auf definierten Testfahrten untersucht wurde, um die Teilfunktionen
zu ermitteln. So werden vorzugsweise die Funktionen a, b1, b2, c1,
c2 zuvor ermittelt (siehe obige Gleichung
(3)) und im Betrieb die Adaption dann über die Korrektur-Teilfunktion
d(1/λ, n)
ausgeführt.
Diese Korrektur-Teilfunktion d wird zunächst zu 0 initialisiert.
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Bevorzugt
wird ein erfindungsgemäßes Verfahren
verwendet, um ein Schutzverfahren zum thermischen Schutz eines Turboladers
der Brennkraftmaschine zu realisieren, wobei weiterhin vorteilhafterweise
die folgenden Schritte ausgeführt
werden: Überprüfen, ob
die Abgastemperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet
und Ändern
eines Verbrennungsparameters der Brennkraftmaschine, falls die Überprüfung eine Überschreitung
ergibt, so dass die Abgastemperatur unter den Schwellenwert sinkt.
Ein solches Schutzverfahren bietet insbesondere den Vorteil, dass
die schnelle Berechnung der Abgastemperatur einen wirksamen Schutz
des Turboladers möglich
macht.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, insbesondere
ein Steuergerät
oder eine Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einem oder mehreren der oben genannten bevorzugten Merkmale
eingerichtet ist.
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Ein
weiterer unabhängiger
Gegenstand der Erfindung ist ein Computerprogramm mit Programmcode
zur Durchführung
aller Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem oder
mehreren der oben genannten vorteilhaften Merkmale, wenn das Programm
in einem Computer ausgeführt
wird. Das Computerprogramm ist vorzugsweise ein Programmcode für eine Motorsteuerung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Skizze eines Teils einer Brennkraftmaschine mit Turbolader;
und
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2 ein
erfindungsgemäßes Verfahren
in einem schematischen Diagramm.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
der 1 ist ein Teil einer Brennkraftmaschine mit Turbolader
gezeigt, wobei eine Brennkammer 1, ein Abgastrakt 2,
ein Turbolader 3 und eine Lambda-Messstelle 4 gezeigt
sind. Weiterhin ist ein Ansaugtrakt 5 gezeigt, der durch
den Turbolader 3 verdichtete Luft zu der Brennkammer 1 liefert.
Der Abgastrakt 3 ist der Brennkammer 1 nachgeschaltet und
nimmt das Abgas der Brennkammer 1 auf und führt es an
den Turbolader 3 weiter. Dort treibt das Abgas eine Turbine
des Turboladers 3 an. Anschließend gelangt das Abgas zur
Lambda-Messstelle 4, wo der Lambda-Wert λ des Abgases
gemessen wird. Eine gemessene Abgastemperatur T3_test wird im Abgastrakt
mit einem nicht dargestellten Abgastemperatursensor gemessen. Ebenfalls
nicht detailliert dargestellt ist der Lambda-Sensor an der Lambda-Messstelle 4.
Diese Sensoren sind dem Fachmann jedoch allgemein bekannt. Das erfindungsgemäße Verfahren
dient dazu, eine Überhitzung
des Turboladers 3 durch eine zu starke Erwärmung durch das
in dem Abgastrakt 2 zugeführte Abgas zu verhindern oder
dient dazu, die Temperatur des Abgases in dem Abgastrakt 2 hochdynamisch
zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem Messwerte der Lambda-Messstelle 4 verwendet
werden, die über
den im Vergleich zum Abgastemperatursensor wesentlich dynamischeren
Lambda-Sensor verfügt.
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Eine
mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der 2 gezeigt. Allgemein wird in
der Figurenbeschreibung der 2 auf die
in der 1 gezeigte schematische Darstellung eines Ausschnitts
der Brennkraftmaschine Bezug genommen, so dass die in der Figurenbeschreibung
in der 2 verwendeten Bezugszeichen 1 bis 5 die
entsprechenden in der 1 gezeigten Teile bezeichnen.
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Das
Verfahren startet mit einem Schritt 10. Anschließend wird
in einem Schritt 12 der von dem Lambda-Sensor an der Lambda-Messstelle 4 gemessene
Lambda-Wert λ abgefragt.
In einem Schritt 14 wird dieser gemessene Lambda-Wert λ verwendet,
um eine berechnete Abgastemperatur T3_calc zu berechnen, welche
die tatsächlich
in dem Abgastrakt 2 der 1 herrschende
Abgastemperatur wiedergeben soll. Dann wird in einem Schritt 16 überprüft, ob die
berechnete Abgastemperatur T3_calc einen Schwellenwert für die Abgastemperatur T3_tresh überschreitet.
Falls eine solche Überschreitung
vorliegt, besteht die Gefahr, dass der Turbolader 3 überhitzt
wird. Falls im Schritt 16 festgestellt wird, dass eine Überschreitung
des Schwellenwerts für
die Abgastemperatur T3_tresh vorliegt, wird in einem Schritt 18 eine Änderung
mindestens eines Verbrennungsparameters der Brennkraftmaschine vorgenommen,
beispielsweise der Drosselklappenstellung, um ein Absinken der in
dem Abgastrakt 2 herrschenden Temperatur zu erreichen und
um so eine Überhitzung
zu vermeiden.
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Auf
jeden Fall fährt
das Verfahren nach dem Schritt 16 oder dem Schritt 18 damit
fort, in einem Schritt 20 zu überprüfen, ob ein im Wesentlichen
stationärer
Betrieb der Brennkraftmaschine vorliegt. Falls kein im Wesentlichen
stationärer
Betrieb der Brennkraftmaschine vorliegt, springt das Verfahren zurück zu dem
Schritt 12. Im Falle eines im Wesentlichen stationären Betriebs
der Brennkraftmaschine wird in einem Schritt 22 überprüft, ob an
dem im Wesentlichen stationären
Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine bereits ein Wertepaar einer
berechneten Abgastemperatur T3_calc und einer gemessenen Abgastemperatur
T3_test, d. h. eine Stützstelle
für eine
Adaption, vorliegt. Ebenso wird die Umgebung des momentanen Arbeitspunktes
in einem definierten Toleranzbereich auf bereits vorhandene Stützstellen
untersucht. Dies dient dazu, nicht zu viele Stützstellen in dem Toleranzbereich
zu erhalten, um eine Adaption nicht unnötig rechenintensiv zu gestalten.
Falls die berechnete Abgastemperatur T3_calc bei einem Arbeitspunkt
berechnet wurde, der ausreichend weit von bereits mit Stützstellen
aufgefüllten Bereichen
entfernt ist, wird anschließend
in einem Schritt 24 die Abgastemperatur T3_test bei dem
momentanen Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine gemessen (Schritt 24).
Falls der Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine momentan in einem
Bereich ist, in dem bereits Stützstellen
oder zumindest eine Stützstelle
vorhanden ist, springt das Verfahren zurück zum Schritt 12.
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Nach
dem Schritt 24 wird in einem Schritt 26 in einem
Vergleich der gemessenen Abgastemperatur T3_test mit der berechneten
Abgastemperatur T3_calc eine weitere Stützstelle für eine mögliche Adaption der im Schritt 14 verwendeten
Funktionsberechnung ermittelt.
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In
einem Schritt 28 wird überprüft, ob bereits ausreichend
Stützstellen
vorhanden sind, d. h. ausreichend Vergleiche durchgeführt wurden,
um eine Adaption der Teilfunktion d(1/λ, n) der oben dargestellten
Funktion (3) durchzuführen.
Dabei ist zu berücksichtigen,
dass extreme Arbeitspunkte unter Umständen nie zu einer Stützstelle
führen,
da in diesen extremen Arbeitspunkten üblicherweise kein stationärer Betrieb
der Brennkraftmaschine erfolgt. Dies ist auch abhängig vom
Fahrverhalten eines Fahrers eines Fahrzeugs, das durch die Brennkraftmaschine angetrieben
wird. Wird in dem Schritt 28 festgestellt, dass ausreichend
Stützstellen
vorhanden sind, so springt das Verfahren zu einem Schritt 30,
in dem eine Adaption der Funktion d(1/λ, n) vorgenommen wird. Andernfalls
springt das Verfahren nach dem Schritt 28 zurück zum Schritt 12.
Nach dem Schritt 30, also nach der Adaption der genannten
Teilfunktion, springt das Verfahren ebenfalls zurück zum Schritt 12 und
beginnt von vorne.