DE102016222044B3

DE102016222044B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Öltemperatur in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016222044B3
Application number: DE102016222044.6A
Authority: DE
Inventors: Jan-Richard Lenk; Sebastian Viehöver
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: US20200063667A1; KR102213949B1; WO2018086891A1; KR20190069599A; CN110023599B; US10781730B2; CN110023599A

Abstract

Zum Bestimmen der Temperatur (T OIL) eines Motoröles (16) in einer Brennkraftmaschine (10), bei dem die Temperatur (T_OIL) des Motoröles (16) mit Hilfe eines Öltemperaturmodells (OIL TM) ermittelt wird und als Eingangsgröße des Öltemperaturmodells (OIL_TM) mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10) charakterisierender Parameter eingerechnet wird, wird bei der Modellierung der Temperatur (T_OIL) des Motoröls (16) eine, durch unterschiedliche Komponenten in das Motoröl (16) hervorgerufene Verdünnung des Motoröls (16) durch Berücksichtigung des geänderten Aufheizverhaltens des Motoröls (16) einbezogen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Öltemperatur in einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 6.
Für bestimmte Funktionen in einer elektronischen Steuereinrichtung für Brennkraftmaschinen wird die aktuelle Temperatur des Motoröls benötigt. So kann beispielweise das Überschreiten eines Schwellenwerts für die Öltemperatur der Brennkraftmaschine zum Auslösen einer On-Board-Diagnose herangezogen werden. Weiter ist bekannt, die Öltemperatur als Kriterium zur Einstellung verschiedenster Parameter einer Brennkraftmaschine zu verwenden wie z.B. Leerlaufdrehzahlen, Freigaben von Adaptionen, etc. Darüber hinaus kann die Öltemperatur für Berechnungen der Öllebensdauer verwendet werden, um den Zeitpunkt eines Ölwechsels optimal bestimmen zu können.
Ist die Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Nockenwellenverstellung ausgestattet, so ist für deren ordnungsgemäße Funktion die Kenntnis der Öltemperatur von großer Bedeutung.
Zur Ermittlung von Temperaturen werden in der Regel Sensoren eingesetzt, die vergleichsweise teuer, fehleranfällig und teilweise schwer zu platzieren sind. Darüber hinaus müssen diese Sensoren auf ihre ordnungsgemäße Funktion im Rahmen einer On-Board Diagnose überprüft werden, was einen zusätzlichen Aufwand bedingt. Deshalb werden zur Bestimmung der Öltemperatur vermehrt sogenannte Öltemperaturmodelle herangezogen.
In der DE 10 2011 088 858 A1 sind ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zum Bestimmen einer Öltemperatur eines Verbrennungsmotors, insbesondere einer Öltemperatur in einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors beschrieben, wobei für einen bestimmten Zustand des Verbrennungsmotors die Öltemperatur in Abhängigkeit einer Temperatur eines Ölsumpfs und/oder einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Das Verfahren kann dabei zusätzlich in Abhängigkeit eines Kühlmittelstroms und/oder einer Förderleistung einer Kühlmittelpumpe des Verbrennungsmotors, einer Stellung eines Stell- und/oder eines Steuerglieds im Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, eines Durchflusses des Kühlmittels durch einen Ölwärmetauscher des Verbrennungsmotors, und/oder einer Position eines Nockenwellenstellers des Verbrennungsmotors durchgeführt werden.
Aus der WO 02/086296 A2 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Öltemperatur in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Öltemperatur über ein Öltemperaturmodell berechnet wird. Als Eingangsgrößen des Öltemperaturmodells wird mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisierender Parameter herangezogen. Ein modellierter Öltemperatursensorwert des Öltemperaturmodells wird mit einem gemessenen Öltemperaturwert verglichen und der Differenzwert der beiden Temperaturwerte wird als Eingangsgröße, in einen auf den Verfahrensschritt der Bildung des Differenzwertes unmittelbar oder mittelbar folgenden iterativen Berechnungszyklus eines weiteren Öltemperaturwerts des Öltemperaturmodells, in das Öltemperaturmodell eingerechnet. Als den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisierender Parameter werden mindestens eine der Größen Kühlmitteltemperatur, Luftmassenstrom, Saugrohrdruck, Luftzahl Lambda herangezogen.
Die DE 199 61 118 A1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen der Motoröltemperatur in einer Brennkraftmaschine. Die Motoröltemperatur wird mittels einer Modellbildung ermittelt, wobei als Eingangsgrößen des Modells mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisierender Parameter mindestens ein die Umgebungsbedingungen der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges repräsentierender Parameter herangezogen wird. Das Modell berücksichtigt dynamische Temperaturänderungen durch Temperaturgradienten aufgrund von Wärmeübergängen sowohl an Teilen der Brennkraftmaschine untereinander als auch zwischen der Brennkraftmaschine und der Umgebung der Brennkraftmaschine.
In der DE 101 29 421 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Motoröltemperatur beim Start eines Motors beschrieben. Bei dieser Anordnung und diesem Verfahren zur Bestimmung der Motoröltemperatur unter Verzicht auf einen Öltemperatursensor wird die Öltemperatur beim Motorstart, basierend auf einer berechneten Öltemperatur beim letzten Abschaltvorgang sowie verschiedener anderer Parameter berechnet. Diese Parameter können die Motorkühlmitteltemperatur, die Abschaltzeit, die Außentemperatur oder den Umstand, ob eine Motorblockheizung benutzt wurde, umfassen. Dadurch wird eine präzise Ermittlung der Motoröltemperatur möglich, wodurch die Motorsteuerung genauer, insbesondere während der ersten Minuten des Motorbetriebs.
Aus der EP 1 452 701 B1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Öltemperatur eines Verbrennungsmotors bekannt. Der Verbrennungsmotor weist einen Kühlkreislauf mit Kühlfluid, eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur dieses Fluids auf, die eine gemessene Temperatur des Kühlfluids bereitstellt. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Vorausberechnen einer vorausgesagten Temperatur des Kühlfluids in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors, b) Messen der Temperatur der Kühlflüssigkeit mit Hilfe der Vorrichtung zum Messen, c) Berechnen eines Fehlers zwischen der gemessenen Temperatur des Kühlfluids und der vorausgesagten Temperatur des Kühlfluids, d) Vorausberechnen einer vorausgesagten Öltemperatur in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors und e) Korrigieren der vorausgesagten Öltemperatur mit Hilfe des Fehlers, um eine ermittelte Öltemperatur bereitzustellen.
In der DE 10 2011 121 415 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustandes eines Schmieröls für einen Motor oder ein Getriebe beschrieben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Bestimmung wenigstens eines chemischen oder physikalischen Parameters durch chemische oder physikalische Messung am Schmieröl,
-Bestimmung wenigstens eines Betriebsparameters des Motors oder Getriebes, in dem das Schmieröl eingesetzt wird,
- Eingeben des wenigstens einen chemischen oder physikalischen Parameters und des wenigstens einen Betriebsparameters in eine Modellrechnung zum Bestimmen des Alterungszustandes des Schmieröls, und
- Bestimmung einer voraussichtlichen Restlebensdauer des Schmieröls auf der Grundlage der Modellrechnung.

Die DE 10 2013 211 308 A1 zeigt Systeme und Verfahren zum genauen Kompensieren einer aus einer jüngsten Fernfahrt resultierenden Änderung einer Menge an unerwünschtem Fluid, das in Motoröl verdünnt ist. Das System umfasst einen Computerprozessor und ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das in Wirkverbindung mit dem Prozessor steht und Anweisungen aufweist, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass der Prozessor verschiedene Betriebsabläufe ausführt. Die Betriebsabläufe umfassen ein Bestimmen einer Fernfahrt-Zeit, die einen Zeitbetrag angibt, den das Fahrzeug zuletzt in dem Fernfahrt-Zyklus betrieben wurde. Die Betriebsabläufe umfassen ferner ein Bestimmen des Fernfahrt-Abschlags gemäß einer Abschlagfunktion unter Verwendung der bestimmten Fernfahrt-Zeit. Die Abschlagfunktion ist dabei derart konfiguriert, eine Menge an unerwünschten Fluid zu berücksichtigen, das von dem Motoröl während des Fernfahrt-Zyklus dissidiert wird.
Aus der EP 1 586 752 B1 ist ein Verfahren zum Steuern der Schmierölverdünnung - Volumenprozent - einer Brennkraftmaschine beschrieben, das folgende Schritte enthält: a) Überwachen des Ölverdünnungsverhältnisses durch Berechnen und/oder Schätzen des sog. Ölverdünnungszustands aus gemessenen Betriebsparametern und b) Reduzieren des Ölverdünnungsverhältnisses durch Fördern der teilweisen Verbrennung des verdünnten Schmieröls durch Erhöhen der Durchblas-Gasströmung von Kurbelgehäuse zum Motorzylinder während der Kraftstoffunterbrechung bei einer Verzögerung.
Die EP 1 900 911 B1 zeigt ein Verfahren zum Erfassen eines Zustands von Motoröl, das einen Verbrennungsmotor schmiert. Das Verfahren umfasst: Definieren einer Gesamtbasenzahl oder einer Gesamt-Säurezahl oder einer Akkumulation von Salpetersäureesther des Motoröls als Verschlechterungsindex, der sich mit fortschreitender Verschlechterung des Motoröls ändert; Berechnen eines Wertes, der sich auf eine NOx-Konzentration von Durchblasgas bezieht, das von Brennkammern in ein Kurbelgehäuse des Motors fließt; Berechnen des Verschlechterungsindex gemäß dem berechneten Wert, der sich auf die NOx-Konzentration des Durchblasgases bezieht; und Bestimmen eines Fortschritts der Verschlechterung des Motoröls basierend auf den berechneten Verschlechterungsindex.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Öltemperatur in einer Brennkraftmaschine mittels eines Modells ist in der DE 100 06 533 B4 beschrieben, wobei das Modell betriebstemperaturabhängig zwei unterschiedliche Eingangsmodule verwendet. Bei weitgehend betriebswarmer Brennkraftmaschine werden Rohwerte für Öltemperatur und Öltemperaturgradienten aus Last und Drehzahl bestimmt. Bei kalter Brennkraftmaschine wird dagegen die Kühlmitteltemperatur und der Kühlmitteltemperaturgradient verwendet. Anschließend werden diese Rohwerte durch Berücksichtigung entsprechender Korrekturfaktoren, die von den Betriebsparametern an der Brennkraftmaschine abhängen, dem tatsächlichen Betriebszustand angepasst.
Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen, insbesondere Otto-Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung oder Flex-Fuel-Motoren, welche mit einer beliebigen Kraftstoffzusammensetzung aus Benzin und Ethanol betrieben werden können, gelangen zum Teil beträchtliche Mengen Kraftstoff, sowie Inertgas als sogenannter „Blow-by“ über die Zylinderwände und die Kolbenringe in das Kurbelgehäuse. Dieser Kraftstoffeintrag wirkt sich negativ auf die Schmierwirkung, Viskosität und Lebensdauer des Motoröls aus.
Gerade im kalten Betriebszustand werden z.T. die Zylinderinnenwände mit übermäßig Kraftstoff benetzt, welcher dann über die Kolbenringe in das Kurbelgehäuse gelangt und letztlich als Kraftstoff im Motoröl eingelagert wird. Wird die Brennkraftmaschine nicht bis zur optimalen Betriebstemperatur hin erwärmt, wird die eingelagerte Kraftstoffmasse nach jedem Start der Brennkraftmaschine größer. Bei Erwärmung der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur fängt der eingetragene Kraftstoff an zu sieden und wird gasförmig. Dieser eingelagerte Kraftstoff bewirkt ein langsameres Erwärmen des Motoröls verglichen mit dem Aufheizverhalten ohne Ölverdünnung. In Folge entspricht die mittels der bekannten Öltemperaturmodelle modellierte Öltemperatur nicht dem realen Verlauf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, das bzw. die unter Verzicht auf einen Öltemperatursensor die Temperatur des Motoröls einer Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit zu bestimmen erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Patentanspruches 1 und 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß der Erfindung wird die Beeinflussung des Aufheizverhaltens des Motoröls durch die unterschiedlichen, im Motoröl eingelagerten Komponenten, bei der Modellierung der Motoröltemperatur berücksichtigt.
Durch Einbeziehen der verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten sowie Dampfdrücke der im Motoröl akkumulierten Fremdkomponenten, wie Ethanol oder Wasser, welche mit ansteigendem Massenanteil den Wärmeleitkoeffizienten des Motorölgemisches und damit das Aufheizverhalten wesentlich beeinflussen, kann die Genauigkeit des Öltemperaturmodells, insbesondere im Warmlauf der Brennkraftmaschine erhöht werden.
Außerdem kann damit sowohl eine genauere Vorsteuerung der zu korrigierenden Einspritzmasse durch die aus dem Motoröl siedenden Kohlenwasserstoffe erreicht werden, als auch eine genauere Verlustmomentbestimmung und eine gezieltere Freigabe von OBD-Diagnosen und Adaptionen.
Die Funktion ist sowohl für Otto- wie auch für Dieselmotoren einsetzbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass die in das Motoröl eingetragenen Komponenten mittels eines Ölverdünnungsmodells bestimmt werden und für die einzelnen eingetragenen Komponenten die Eintragungsmassen bestimmt werden und für jede Eintragungsmasse eine Siedekennlinie zugeordnet und in einem Wertespeicher einer die Brennkraftmaschine steuernden und/oder regelnden Steuerungseinrichtung hinterlegt ist.
Die Siedekurven sind direkt abhängig von der maximal eingetragenen Masse, der jeweilig definierten Komponente. Somit wird die Siedelinie der verfälschten Öltemperatur angeglichen und der eingangs beschriebene Effekt korrigiert.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zugeordneter Steuerungseinrichtung,
2 ein Siedediagramm für zwei Kraftstoffkomponenten und
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Aufheizverhaltens des Motoröls bei verschieden hoher Ölverdünnung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10 mit einem Brennraum 11 in einem Zylinder 12. Der Brennraum 11 wird an einer Seite (in 1 an seiner Unterseite) von einem Kolben 13 abgeschlossen. Der Kolben 13 ist über eine Pleuelstange 14 mit einer in 1 nicht dargestellten Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse 15 verbunden. Bewegliche Teile der Brennkraftmaschine 10, insbesondere der sich im Zylinder 12 hin- und her bewegende Kolben 13 wird von einem Schmierstoff 16, im folgenden als Motoröl bezeichnet, geschmiert. Das Motoröl sammelt sich im Kurbelgehäuse 15 und wird von in 1 nicht dargestellten Einrichtungen umgewälzt und gefiltert.
Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Ansaugtrakt 20 auf, in dem in Strömungsrichtung der angesaugten Luft nacheinander ein Luftfilter 21, eine Drosselklappe 22 und ein als Lastsensor dienender Luftmassensensor 23 angeordnet sind. Als Lastsensor kann alternativ oder zusätzlich ein Saugrohrdrucksensor im Ansaugtrakt 20 vorgesehen sein. Außerdem mündet in den Ansaugtrakt 20 stromabwärts der Drosselklappe 22 eine Entlüftungsleitung 24 des Kurbelgehäuses 15. In der Entlüftungsleitung 24 kann ein Absperrventil, insbesondere ein elektrisches Absperrventil vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Der Ansaugtrakt 20 ist über ein Gaseinlassventil 25 mit dem Brennraum 11 verbunden. Das Gaseinlassventil 25 wird mittels einer Nockenwelle 26 gesteuert. Am Kopf des Zylinders 12 der Brennkraftmaschine 10 sind ferner ein Kraftstoff-Einspritzventil 27 zum direkten Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum 11 und eine Zündkerze 28 angeordnet. Das Kraftstoff-Einspritzventil 27 kann alternativ am Ansaugtrakt 20 und damit in Strömungsrichtung vor dem Einlassventil 25 angeordnet sein. Man spricht in diesem Fall von Saugrohreinspritzung oder Kanaleinspritzung.
Der Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 steht ferner über ein Gasauslassventil 29, das mittels einer Nockenwelle 30 gesteuert wird, mit einem Abgastrakt 31 in Verbindung. In dem Abgastrakt 31 können ein oder mehrere Abgaskatalysatoren 32 und/oder andere Einrichtungen zum Filtern oder Aufbereiten von Abgasen der Brennkraftmaschine 10 angeordnet sein.
Zur Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine 10 ist ein Kraftstofftank 33 vorgesehen, in dem Kraftstoff 34 bevorratet ist. Als Kraftstoff 34 kann dabei Benzin, Alkohol oder eine beliebige Mischung der beiden Verwendung finden. Der Kraftstoff 34 wird mittels einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 35 von dem Kraftstofftank 33 zu einem Verteilerrohr 36 (common rail) gepumpt, von dem je eine Zuführleitung 37 zu jedem Kraftstoff-Einspritzventil 27 führt. Weitere, im Kraftstoffpfad vorhandene Komponenten wie Niederdruckpumpe (Intank-Pumpe), Druckregler, Drucksensor, Ventile und Rücklaufleitungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 10 ist eine elektronische Steuerungseinrichtung (ECU, electronic control unit) 40 vorgesehen. Die Steuerungseinrichtung 40 enthält eine Recheneinheit (Prozessor) 41, die mit einem Programmspeicher 42 und einem Wertespeicher 43 (Datenspeicher) gekoppelt ist. Die Recheneinheit 40, der Programmspeicher 42 und der Wertespeicher 43 können jeweils ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente umfassen. Alternativ können diese Komponenten teilweise oder vollständig in einem einzigen mikroelektronischen Bauteil integriert sein. In dem Programmspeicher 42 bzw. dem Wertespeicher 43 sind Programme bzw. Werte abgespeichert, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 nötig sind. Insbesondere ist in dem Programmspeicher 42 ein sogenanntes Ölverdünnungsmodel OIL_VM implementiert, mit dem der Kraftstoffeintrag in das Motoröl 16 und der Kraftstoffaustrag aus dem Motoröl 16 bestimmt wird. Solche Ölverdünnungsmodelle sind beispielsweise in den Druckschriften der Anmelderin DE 10 2010 006 580 B3 , DE 10 2012 221 507 B3 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich hiermit einbezogen ist. Außerdem ist in dem Programmspeicher 42 ein Verfahren OIL_TM zur modellgestützten Ermittlung der Temperatur des Motoröls 16 implementiert, das während des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 von der Recheneinheit 41 abgearbeitet wird. Geeignete Öltemperaturmodelle sind beispielsweise in den Druckschriften der Anmelderin WO 02/086296 A2 , DE 100 06 533 B4 und DE 10 2011 088 858 A1 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich hiermit einbezogen ist.
In dem Wertespeicher 43 sind unter anderem Siedekennlinien 58 für verschiedene Kraftstoffkomponenten abgelegt, deren Bedeutungen ebenfalls anhand der nachfolgenden Beschreibung noch näher erläutert wird.
Der Steuerungseinrichtung 40 sind mehrere Sensoren zugeordnet, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch davon abgeleitete Größen. Die Steuerungseinrichtung 40 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen und/oder der Betriebsgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern von Stellgliedern mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
Die Sensoren sind beispielsweise der Luftmassenmesser 23 der ein Signal MAF für den Luftmassenstrom im Ansaugtrakt 20 abgibt, ein Füllstandssensor 51 für das Motoröl 16 in dem Kurbelgehäuse 15, ein Temperatursensor 52 für das Kühlmittel der Brennkraftmaschine 10, der ein Signal TCO abgibt, ein Kurbelwellenwinkelsensor 53, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird, eine Lambdasonde 57 stromaufwärts des Abgaskatalysators 32, dessen Signal λ charakteristisch ist für das Luft-/Kraftstoffverhält-nis im Brennraum 11 des Zylinders 12. Signale von weiteren Sensoren, welche für den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 nötig, aber nicht explizit dargestellt sind, sind allgemein mit dem Bezugszeichen ES gekennzeichnet.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 22 im Ansaugtrakt 20 und das Kraftstoffeinspritzventil 27. Weitere Signale für weitere Stellglieder, die zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 nötig, aber nicht explizit dargestellt sind, sind allgemein mit dem Bezugszeichen AS gekennzeichnet.
Neben dem Zylinder 12 können noch weitere Zylinder vorgesehen sein, denen ebenfalls entsprechende Stellglieder zugeordnet sind. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist unabhängig von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.
Die Steuerungseinrichtung 40 ermittelt unter anderem in Abhängigkeit eines Lastsignals und der Drehzahl unter Berücksichtigung der Signale der genannten weiteren Sensoren den passenden Zündzeitpunkt, den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzzeitdauer. Findet eine Kurbelgehäuseentlüftung statt, so werden auch die Kraftstoffbestandteile, welche aus dem Motoröl ausdampfen, bei dieser Berechnung mit berücksichtigt.
Der im Motoröl eingelagerte Kraftstoff bewirkt ein langsameres Erwärmen des Motoröls verglichen mit dem Aufheizverhalten von „reinem Motoröl“. Unter dem Begriff reinem Motoröl ist in diesem Zusammenhang ein Motoröl zu verstehen, das im Gegensatz zu kontaminiertem Motoröl frei von Kraftstoffeintrag, insbesondere Ethanoleintrag und frei von weiteren Eintragungskomponenten, wie beispielsweise Wasser ist.
Die Erwärmung des Motoröls 16 wird durch vier wesentliche Faktoren beeinflusst:

a) Durch den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 und den damit verbundenen Wärmeenergieeintrag durch den Verbrennungsprozess des Kraftstoff- Luftgemisches im Zylinder 12,
b) durch die Reibungsenergie der sich in der Brennkraftmaschine 10 bewegenden Komponenten und Flüssigkeiten,
c) durch die Umgebungstemperatur (aktuelles Temperaturgefälle) bzw. Geschwindigkeit und Temperatur des Mediums, das die Brennkraftmaschine 10 umströmt und
d) durch die Zusammensetzung des Motoröls 16.

Die benötigte Wärmemenge ΔQ [J] zur Temperaturerhöhung eines Mediums um Δϑ berechnet sich allgemein wie folgt: $Δ Q = Δ ϑ * c_{p} * m$
wobei $c_{p} [\frac{J}{k g K}]$
die spezifische isobare Wärmekapazität darstellt und m die Masse des zu erwärmenden Mediums ist.
Die Wärmemenge ΔQ ist direkt abhängig von der Masse m. Mit steigender Masse m muss also auch mehr Energie zugeführt werden, um den gleichen Temperaturanstieg Δϑ zu erreichen. Die Wärmemenge einer Mischung von beispielsweise Motoröl und Ethanol (als eingetragener Kraftstoff in das Motoröl) ergibt sich aus deren Mischungsverhältnis, sowie den spezifischen Wärmekapazitäten der einzelnen Stoffe: $Δ Q = Δ ϑ_{ö l} * c_{p - ö l} * m_{ö l} + Δ ϑ_{e t h a n o l} * c_{p - e t h a n o l} * m_{e t h a n o l}$
Gängige Motoröle für Brennkraftmaschinen haben je nach Viskositätsklasse eine Dichte von 840 - 880 Kg/m³.
Um drei Liter Motoröl mit einer Dichte von 868 kg/m³ um 1 Kelvin zu erwärmen benötigt man: $Ö l : Q_{p - ö l} = 0,003 m^{3} * 868 \frac{k g}{m^{3}} * 2010 \frac{J}{k g K} * 1 K = 5,2 k J$
Um einen Liter Ethanol um 1 Kelvin zu erwärmen benötigt man: $E h t a n o l : Q_{p - e t h a n o l} = 0,001 m^{3} * 806 \frac{k g}{m^{3}} * 1730 \frac{J}{k g K} * 1 K = 1,4 k J$
Liegt bei einer Otto-Brennkraftmaschine nun eine Ölverdünnung von einem Liter Ethanol vor, muss ein Energiemehraufwand von 1,4kJ erzeugt werden, um das Motoröl-Ethanol-Gemisch um 1 Kelvin zu erwärmen. Voraussetzung ist ein isobarer Betriebspunkt und eine Vernachlässigung der abgeführten Wärme.
Wenn sich das Gemisch bis zum Siedepunkt der ersten Komponente erwärmt hat, folgt es dem idealen Siedediagramm.
In der 2 ist ein solches Siedediagramm für zwei Komponenten A und B dargestellt. Die Komponente A ist ein Stoff mit geringerem Siedepunkt als die Komponente B. Der Druck soll für dieses Beispiel als konstant (isobar) angenommen werden. Weiterhin wird hier auch nur ein Beispiel mit 2 verschiedenen Komponenten betrachtet, in der Realität sind es weit mehr Komponenten, die im Motoröl vorhanden sind.
Wird eine ideale Mischung aus den Komponenten A und B erhitzt, so steigt die Temperatur bis zum Erreichen des Siedepunktes der Komponente A regulär an. Von dort an folgt der Temperaturanstieg einer Siedekurve, die sich aus den unterschiedlichen Siedepunkten, oder anders ausgedrückt, den verschiedenen Dampfdrücken bei gleicher Temperatur, der Einzelkomponenten zusammensetzt. Vereinfacht ausgedrückt, je weniger Massenanteil Komponente A am Gemisch hat, desto höher ist die Siedetemperatur des Gemisches. Mit Erreichen der Siedetemperatur von Stoff B ist Komponente A vollständig verdampft und nicht mehr in flüssiger Form vorhanden.
Übertragen auf den vorliegenden Sachverhalt hat dies zur Folge, dass sich das Motoröl in einer Brennkraftmaschine unter gleichbleibenden Bedingungen (gleiche Wärmezufuhr) entsprechend langsamer erwärmt wenn eine Ölverdünnung, beispielsweise durch Ethanol (Siedepunkt bei ~78°C bei ~1bar), vorliegt.
Zusammenfassend sind also zwei Effekte grundlegend dafür verantwortlich, dass sich ein verlangsamtes Aufheizverhalten des Motoröls ergibt. Vornehmlich der Massenanstieg, aber auch das veränderte Temperaturverhalten während des Verdampfungsprozesses spielt eine Rolle. Entsprechend muss ein, die Temperatur des Motoröls bestimmendes Öltemperaturmodell korrigiert werden, solange ein zu definierendes Mindestmaß an Fremdstoffen (Stoffe die nach einem Ölwechsel üblicher Weise nicht im Öl auffindbar sind) enthalten ist.
Der Einfluss der Ölverdünnung auf das Aufheizverhalten des Motoröls ist messbar.
In der 3 ist in Form eines Diagrammes das Aufheizverhalten eines Motoröls mit unterschiedlich hoher Ölverdünnung gezeigt.
Auf der Abszisse ist dabei die Zeit t in Schrittweiten von 20 Sekunden aufgetragen, auf der Ordinate die Temperatur des Motoröls T_OIL. Dabei wurden drei Versuche durchgeführt, bei denen manuell eine bestimmte Masse Ethanol dem Motoröl zugeführt wurde. Die Temperatur des auf diese Weise künstlich verdünnten und deshalb kontaminierten Motoröls wurde während des Aufheizens des mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeugs in einem konstanten, über alle drei Versuche gleichen Betriebspunkt an der gleichen Stelle gemessen. Die Kennlinie TG_100 kennzeichnet dabei den zeitlichen Temperaturverlauf des Motoröls mit 100g Ethanolzusatz, die Kennlinie TG_200 den zeitlichen Temperaturverlauf des Motoröls mit 200g Ethanolzusatz und die Kennlinie TG_400 den zeitlichen Temperaturverlauf des Motoröls mit 400g Ethanolzusatz.
Die Kennlinie TM zeigt den Verlauf der Motoröltemperatur T_OIL, wie er von einem aus dem Stand der Technik bekannten Öltemperaturmodell für reines Motoröl, also ohne Berücksichtigung der Ölverdünnung berechnet wird.
Klar zu sehen sind die Differenzen in der gemessenen Öltemperatur des mit Ethanol verdünnten Motoröls zum bekannten Öltemperaturmodell ohne Berücksichtigung der Ethanolverdünnung. Das Öltemperaturmodell liefert aufgrund der nicht berücksichtigten Ölverdünnung generell einen zu hohen Temperaturwert.
In der nachfolgenden Tabelle sind für zwei verschiedene Zeitpunkte t1 und t2 für die oben angegebenen Ethanolmassen die gemessenen und modellierten Temperaturwert eingetragen.

Ethanolmasse [g] Öltemperatur gemessen, Zeitpunkt [°C] Öltemperatur modelliert, Zeitpunkt [°C]

t1 t2 t1 t2

100 60 72 68 75

200 57 68 67 74

400 55 66 67 74
Aus dieser Tabelle ist zum Einen ersichtlich, dass zu dem Zeitpunkt t1, also relativ kurz nach dem Beginn des Aufheizvorganges die Differenzen zwischen gemessenen und modellierten Temperaturen höher sind, als zu einem späteren Zeitpunkt t2 bei fortgeschrittenem Aufheizen. Zum Anderen sieht man, dass mit höheren Ethanolgehalten im Motoröl die Differenzen zwischen gemessenen und modellierten Temperaturen ebenfalls zunehmen.
Bei noch höheren Ethanolmassen im Motoröl wirkt sich dieser Effekt noch viel stärker aus.
Noch deutlicher wird der Unterschied zwischen gemessenen und modellierten Temperaturen, wenn man die zeitliche Abweichung betrachtet. Das Motoröl mit einer Kraftstoffverdünnung von 200g Ethanol (Kurve TG_200) erreicht eine Temperatur von 68°C erst 90sec nachdem die modellierte Öltemperatur diesen Wert erreicht. Die modellierte Öltemperatur wird dabei als Referenz für „sauberes“ Motoröl hergenommen. Das heißt, ein mit 200g Ethanol kontaminiertes Motoröl erreicht, bei diesem konstanten Betriebspunkt 90 Sekunden später eine Temperatur von 68°C. Dieser zeitliche Versatz führt unter anderem zu einem Fehler im Ausgasmodell des Ethanols innerhalb des Ölverdünnungsmodells, woran sich das Öltemperaturmodell orientiert.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Brennraum
12: Zylinder
13: Kolben
14: Pleuelstange
15: Kurbelgehäuse
16: Schmierstoff, Motoröl
20: Ansaugtrakt
21: Luftfilter
22: Drosselklappe
23: Luftmassenmesser, Lastsensor
24: Entlüftungsleitung
25: Gaseinlassventil
26: Nockenwelle
27: Kraftstoff-Einspritzventil
28: Zündkerze
29: Gasauslassventil
30: Nockenwelle
31: Abgastrakt
32: Abgaskatalysator
33: Kraftstofftank
34: Kraftstoff
35: Hochdruck-Kraftstoffpumpe
36: Verteilerrohr
37: Zuführleitung
40: Steuerungseinrichtung
41: Recheneinheit, Prozessor
42: Programmspeicher
43: Wertespeicher, Datenspeicher
51: Füllstandssensor Motoröl
52: Temperatursensor Kühlmittel
53: Kurbelwellenwinkelsensor
57: Lambdasonde stromaufwärts des Abgaskatalysators
58: Siedekennlinie
A: Komponente
B: Komponente
AS: Signale für Stellglieder
ES: Signale von Sensoren
λ: Luftzahl
MAF: Luftmassenstrom
N: Drehzahl
OIL_VM: Ölverdünnungsmodell
OIL_TM: Öltemperaturmodel
T_A: Siedetemperatur Komponente A
TCO: Kühlmitteltemperatur
T_B: Siedetemperatur Komponente B
TCO: Kühlmitteltemperatur
TG_100: Temperaturverlauf Motoröl mit 100g Ethanolzusatz
TG_200: Temperaturverlauf Motoröl mit 200g Ethanolzusatz
TG_400: Temperaturverlauf Motoröl mit 400g Ethanolzusatz
TM: Temperaturverlauf unverdünntes Motoröl
t: Zeit
t1, t2: Zeitpunkt

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Temperatur (T_OIL) eines Motoröles (16) in einer Brennkraftmaschine (10), bei dem die Temperatur (T_OIL) des Motoröles (16) mit Hilfe eines Öltemperaturmodells (OIL_TM) ermittelt wird und als Eingangsgröße des Öltemperaturmodells (OIL_TM) mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10) charakterisierender Parameter eingerechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellierung der Temperatur (T_OIL) des Motoröls (16) eine durch unterschiedliche in das Motoröl (16) eingetragene Komponenten hervorgerufene Verdünnung des Motoröls (16) durch Berücksichtigung des geänderten Aufheizverhaltens des Motoröls (16) einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Motoröl (16) eingetragenen Komponenten mittels eines Ölverdünnungsmodells (OIL_VM) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die einzelnen eingetragenen Komponenten die Eintragungsmassen bestimmt werden und für jede Eintragungsmasse eine Siedekennlinie (58) zugeordnet und in einem Wertespeicher (43) einer die Brennkraftmaschine (10) steuernden und/oder regelnden Steuerungseinrichtung (40) hinterlegt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter Heranziehung der Siedekennlinien (58) ein Korrekturfaktor ermittelt wird, mit dem die modellierte Öltemperatur (T_OIL) in Richtung niedriger Werte korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (10) charakterisierender Parameter mindestens eine der Größen Kühlmitteltemperatur (TCO), Luftmassenstrom (MAF), Saugrohrdruck, Luftzahl (λ) herangezogen wird.
Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausführbar ist.