DE102017215257A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten:- Bereitstellen eines Außenlufttemperaturwerts (T) für das Kraftfahrzeug;- Ermitteln einer motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung (Δ) der in einen Motorraum (1) des Kraftfahrzeugs durch einen Motorkühler (3) strömenden Außenluft (4) mittels einer von dem bereitgestellten Außenlufttemperaturwert (T) abhängigen Motorkühler-Energiebilanz und- Betreiben des Verbrennungsmotors (2) abhängig von der ermittelten motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung (Δ) der in den Motorraum (1) strömenden Außenluft (4).

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, wobei ein für die Steuerung des Einspritzvorgangs nützlicher Lufttemperaturwert im Motorraum ausgehend von einem bereitgestellten Außenlufttemperaturwert rechnerisch ermittelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuerungseinheit, die zum Durchführen eines solchen Verfahrens ausgebildet ist, sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem es gespeichert ist.
• Stand der Technik
• Für viele Funktionen eines Einspritzsystems, insbesondere bei Dieselmotoren, ist die Kenntnis von Temperaturen im Einspritzsystem erwünscht. Die Kenntnis der Temperaturen in bestimmten Bereichen des Einspritzsystems eines Verbrennungsmotors kann beispielsweise verwendet werden, um zur Erhöhung der Zumessgenauigkeit des Einspritzsystems den Einfluss von Temperatureffekten auf die eingespritzte Kraftstoffmenge durch entsprechende Steuerungsmaßnahmen zu kompensieren. Der Einbau von Temperatursensoren zur Messung aller interessierender Temperaturen würde die Kosten und die Aufbaukomplexität des Einspritzsystems signifikant erhöhen. Außerdem sind viele interessierende Temperaturen nicht ohne Weiteres messtechnisch zugänglich; so sind insbesondere Messungen der Kraftstofftemperatur in den Hochdruckleitungen von Dieseleinspritzsystemen bei Kraftstoffdrücken deutlich über 2000 bar schwierig.
• Daher ist beispielsweise aus DE 10 2007 053 082 A1 ein Ansatz für die rechnerische Ermittlung einer Kraftstofftemperatur in einem Hochdruckbereich eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems bekannt. Die gewünschte Kraftstofftemperatur wird dabei mittels einer nichtstationären Energiebilanz um das Einspritzsystem berechnet, die unter anderem einen Wärmeaustausch zwischen dem Einspritzsystem und seiner Umgebung umfasst. Bei den üblichen Einbausituationen von Einspritzsystemen insbesondere im PKW-Bereich bildet typischerweise der Motorraum die Umgebung für das Einspritzsystem. Die Temperatur der Luft im Motorraum wird üblicherweise nicht gemessen und wird daher ebenfalls rechnerisch modelliert. Hierzu schlägt DE 10 2007 053 082 A1 ein einfaches Temperaturmodell für die Motorraumluft vor, bei dem die Motorraumlufttemperatur als gewichteter Mittelwert der an Bord eines Kraftfahrzeugs typischerweise bereitstehenden Temperaturwerte der Außenluft und des Kühlwassers berechnet wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der Beschreibung für das Verfahren angegebenen weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf die Vorrichtung und das Computerprogramm, und umgekehrt.
• Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
• - Bereitstellen eines Außenlufttemperaturwerts für das Kraftfahrzeug;
• - Ermitteln einer motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung der in einen Motorraum des Kraftfahrzeugs durch einen Motorkühler strömenden Außenluft mittels einer von dem bereitgestellten Außenlufttemperaturwert abhängigen Motorkühler-Energiebilanz, und
• - Betreiben des Verbrennungsmotors abhängig von der ermittelten motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung der in den Motorraum strömenden Außenluft.
• Das Betreiben des Verbrennungsmotors kann dabei insbesondere das Steuern eines Kraftstoffeinspritzvorgangs, beispielsweise in Bezug auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, umfassen. Dabei kann die ermittelte motorkühlerbedingte Temperaturerhöhung der in den Motorraum einströmenden Außenluft insbesondere bei einer rechnerischen Ermittlung einer Temperatur im Einspritzsystem (z. B. einer Kraftstofftemperatur in einer Hochdruckleitung der eingangs genannten Art) verwendet werden. Der Verbrennungsmotor kann insbesondere einen Dieselmotor darstellen.
• Eine Idee des Verfahrens besteht somit in der Berücksichtigung des Einflusses des Motorkühlers auf die Temperatur der in den Motorraum des Kraftfahrzeugs strömenden Außenluft. Mit anderen Worten wird ausgehend vom bereitgestellten Außenlufttemperaturwert eine Lufttemperatur am motorraumseitigen Ausgang des Motorkühlers ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch die Genauigkeit eines rechnerischen Motorraumlufttemperaturmodells und damit eines gesamten Kraftstofftemperaturmodells signifikant gesteigert werden kann, ohne zusätzliche physische Sensoren vorzusehen. Dies kann insbesondere auch bei deutlich über dem Gefrierpunkt liegenden Außentemperaturen zu einer deutlichen Verbesserung einer rechnerischen Motorraumluft- und Kraftstofftemperaturermittlung führen. Konkrete Beispiele für die Motorkühler-Energiebilanz werden weiter unten angegeben.
• Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung während der Fahrt des Kraftfahrzeugs, wobei dies keine zwingende Voraussetzung ist. Es kann beispielsweise von einer Fahrzeugsteuerung (etwa der Steuerungseinheit der hierin dargelegten Art) durchgeführt werden.
• Der Außenlufttemperaturwert kann beispielswiese in Form einer Fahrzeugumgebungstemperatur oder alternativ gegebenenfalls einer Lufttemperatur in einer Ansaugleitung vor einem Turbolader bereitgestellt, insbesondere von einem an Bord des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehenen Sensor gemessen werden. Es werden beim hierin dargelegten Verfahren generell keine zusätzlichen Sensoren neben an Bord eines Kraftfahrzeugs üblicherweise vorhandenen Sensoren benötigt.
• Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass als weitere Motorkühler-Modellparameter, von denen die Motorkühler-Energiebilanz abhängt, eine Kühlwasserthermostatstellung und/oder ein Einspritzvolumenstrom und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine Motordrehzahl und/oder eine Motortemperatur und/oder eine Kühlwassertemperatur bereitgestellt werden. Ein Beispiel für ein geeignetes Thermostatmodell zur Bereitstellung der Kühlwasserthermostatstellung wird weiter unten angegeben. Die anderen Motorkühler-Modellparameter können von an Bord des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehenen Sensoren gemessen oder in einer anderen bekannten Weise bereitgestellt werden. Unter „Kühlwasser“ wird hierin stets die im Motorkühler verwendete Kühlflüssigkeit verstanden.
• Gemäß einer Ausführungsform wird ferner mittels einer dynamischen Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz, die von der ermittelten motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung der Außenluft abhängt, eine Motorraumlufttemperatur (insbesondere in einem inneren Bereich des Motorraums, beispielsweise nahe am Verbrennungsmotor oder an dessen Einspritzsystem, herrschende Temperatur) ermittelt. Der Verbrennungsmotor wird bei dieser Ausführungsform abhängig von der so ermittelten Motorraumlufttemperatur betrieben, wobei im Übrigen das weiter oben in Bezug auf das Betreiben des Verbrennungsmotors Ausgeführte sinngemäß gilt. Konkrete Beispiele für die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz werden weiter unten angegeben (vgl. 1 und 3).
• Dabei kann die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz insbesondere einen Wärmeeintrag durch einen in den Motorraum durch den Motorkühler einströmenden Luftmassenstrom und durch einen den Motorraum verlassenden Luftmassenstrom umfassen, wobei als weitere Motorraumlufttemperatur-Modellparameter, von denen die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz abhängt, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine effektive Motorraumlänge bereitgestellt werden. Während die effektive Motorraumlänge beispielsweise als eine Modellkonstante oder als eine variable, insbesondere von einstellbaren Verhältnissen im Motorraum abhängige Modellgröße abgeschätzt, ermittelt oder vorgegeben sein kann, können die übrigen Motorraumlufttemperatur-Modellparameter insbesondere von an Bord des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehenen Sensoren gemessen oder in einer anderen bekannten Weise bereitgestellt werden.
• Bei einer Weiterbildung der obigen Ausführungsform wird ferner eine Zylinderkopftemperatur mittels einer von der ermittelten Motorraumlufttemperatur abhängigen dynamischen Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz ermittelt, und die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz umfasst einen von der ermittelten Zylinderkopftemperatur abhängigen Wärmeaustausch der Motorraumluft mit dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors. Konkrete Beispiele für ein geeignetes Zylinderkopftemperaturmodell werden weiter unten angegeben (vgl. 4).
• Insbesondere können bei dieser Weiterbildung als weitere Zylinderkopftemperatur-Modellparameter, von denen die Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz abhängt, eine oder mehrere der folgenden Angaben bereitgestellt werden: eine Kühlwassertemperatur, eine Motordrehzahl, eine Kühlwasserventilstellung, eine Kühlwasserpumpendrehzahl, eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Motorlüfterdrehzahl, eine Motoröltemperatur, eine Motortemperatur. Diese Angaben können insbesondere von an Bord des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehenen Sensoren gemessen oder in einer anderen bekannten Weise bereitgestellt werden.
• Bei einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der obigen Ausführungsform wird ferner ein Ladelufttemperaturwert nach einem Ladeluftkühler bereitgestellt, beispielsweise gemessen oder in einer anderen bekannten Weise ermittelt und insbesondere tiefpassgefiltert, und die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz umfasst einen von dem bereitgestellten Ladelufttemperaturwert abhängigen ladeluftkühlerbedingten Wärmeeintrag. Konkrete Beispiele für ein geeignetes Ladeluftkühlermodell werden weiter unten angegeben.
• Insbesondere können bei dieser Weiterbildung als weitere Ladeluftkühler-Modellparameter, von denen der ladeluftkühlerbedingte Wärmeeintrag abhängt, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine effektive ladeluftkühlerbedingte Motorraumlänge bereitgestellt werden. Während die effektive ladeluftkühlerbedingte Motorraumlänge beispielsweise als eine Modellkonstante oder als eine variable, insbesondere von einstellbaren Verhältnissen um den Ladeluftkühler abhängige Modellgröße abgeschätzt, ermittelt oder vorgegeben sein kann, können die übrigen Ladeluftkühler-Modellparameter insbesondere von an Bord des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehenen Sensoren gemessen oder in einer anderen bekannten Weise bereitgestellt werden.
• Bei einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der obigen Ausführungsform umfasst die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz ferner einen kondensatorbedingten Wärmeeintrag durch einen Klimaanlagenkondensator. Insbesondere kann bei dieser Weiterbildung als Klimaanlagenkondensator-Modellparameter, von dem der kondensatorbedingte Wärmeeintrag abhängt, eine Differenz zwischen einer Klimaanlagen-Soll-Temperatur und dem Außenlufttemperaturwert in einer an sich bekannten Weise bereitgestellt werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Steuerungseinheit, vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, das hierin dargelegte Verfahren auszuführen. Des Weiteren wird ein Computerprogramm bereitgestellt, welches, wenn es in einer Datenverarbeitungseinrichtung oder der Steuerungseinheit ausgeführt wird, dazu eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen. Ein weiterer Aspekt ist ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist.
• Figurenliste
• Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der in beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeug-Motorraums mit in diesen durch einen Motorkühler strömender Außenluft;
• 2 eine schematische Darstellung eines Motorkühlermodells für eine Motorkühler-Energiebilanz der hierin dargelegten Art;
• 3 eine schematische Darstellung eines Motorraumluftmodells für eine Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz der hierin dargelegten Art;
• 4 eine schematische Darstellung eines Zylinderkopftemperaturmodells für eine Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz der hierin dargelegten Art;
• 5 eine schematische Darstellung eines Ladeluftkühler-Wärmeeintragsmodells für eine Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz der hierin dargelegten Art;
• 6 repräsentative Messkurven (über eine dreistündige Fahrt) einer Motorraumlufttemperatur über einem Zylinderkopf und einer Zylinderkopftemperatur gegenüber den entsprechenden Modellkurven, die gemäß dem Verfahren der hierin dargelegten Art rechnerisch ermittelt wurden.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die oben beschriebene Ausführungsform des Verfahrens der hierin dargelegten Art, bei der eine Motorraumlufttemperatur eines Kraftfahrzeugs mittels einer dynamischen Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz rechnerisch ermittelt wird, sowie deren oben beschriebene Weiterbildungen mit einem Zylinderkopftemperatur-, Ladeluftkühler- bzw. Klimaanlagenkondensator-Model mit Bezug auf 1 bis 5 näher erläutert.
• Dabei wird die Motorraumlufttemperatur in einer Steuerungseinheit der hierin dargelegten Art - beispielsweise in einem Motorsteuergerät (ECU) des Kraftfahrzeugs - rechnerisch, also als eine Art virtueller Sensor ermittelt, für den kein zusätzlicher physischer Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Vielmehr wird beim dargelegten Verfahren eine zur präzisen Steuerung des Verbrennungsmotors nützliche Lufttemperatur im Motorraum allein auf Basis von üblicherweise im Kraftfahrzeug vorhandenen Sensoren für Außenluft- und Kühlwassertemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, Einspritzmenge u.s.w., ermittelt.
• Die genannte Ausführungsform basiert auf zwei Energiebilanzen:
1. 1.) Energiebilanz um den Motorkühler (Motorkühler-Energiebilanz mit einem Modellbeispiel gemäß 1 und 2) und
2. 2.) Energiebilanz um die Luft im Motorraum (Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz mit einem Modellbeispiel gemäß 1 und 3).
• Für die Energiebilanz 1.) um den Motorkühler (kurz: Kühler) wird in diesem Beispiel mittels eines weiter unten im Detail geschilderten
• 3.) Thermostatmodells eine Kühlwasserthermostatstellung rechnerisch bereitgestellt. Mit dem Thermostatmodell kann ein Maß für den Kühlwassermassenstrom und damit für den in den Kühler eintretenden Enthalpiestrom geschätzt werden.
• Die Modellbausteine 1.) bis 3.) erlauben bereits die Modellierung einer repräsentativen Lufttemperatur im Motorraum. Man kann die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz 2.) beispielsweise direkt unter Verwendung einer gemessenen Kühlwassertemperatur aufstellen. Alternativ kann jedoch gemäß der oben erwähnten Weiterbildung eine Zylinderkopftemperatur modelliert werden, die anstelle der Kühlwassertemperatur als Eingangsgröße für die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz 2.) verwendet wird.
• Mit anderen Worten erweitert sich dadurch das Motorraumlufttemperaturmodell um
• 4.) ein Zylinderkopftemperaturmodell (4).
• Dieses Modell kann insbesondere die Anpassung des Motorraumlufttemperaturmodells an unterschiedliche Betriebszustände des Motors vereinfachen bzw. die Genauigkeit des virtuellen Temperatursensors weiter erhöhen.
• Eine ähnliche Funktion haben die weiteren möglichen Weiterbildungen der obigen Ausführungsform:
• 5.) ein Ladeluftkühlermodell bei aufgeladenen Motoren (5) und
• 6.) ein Klimaanlagenkondensatormodell bei Aggregaten mit einem Kompressor für eine Klimaanlage.
• Ladeluftkühler und Klimaanlagenkondensator können unter Umständen ihrerseits signifikante Wärmequellen im Motorraum darstellen.
• In den nachfolgenden Beispielen werden die oben skizzierten einzelnen Bausteine 1.) bis 6.) des Motorraumlufttemperaturmodells näher erläutert:
• 1 zeigt für ein Kraftfahrzeug schematisch einen Motorraum 1 mit einem darin angeordneten Verbrennungsmotor 2 (kurz: Motor). In den Motorraum 1 strömt von außen durch einen Motorkühler 3 Außenluft 4, die vor Eintritt in den Motorkühler 3 eine Außenlufttemperatur T_außen hat. Aufgrund einer motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler hat der in den Motorraum 1 eintretende Luftstrom am motorraumseitigen Ausgang des Motorkühlers 3 eine Temperatur: $$T_{\text{nachKühler}}=T_{\text{außen}}+\mathrm{\Delta }{T}_{\text{Motorkühler}}$$

  

  2, die in Verbindung mit 1 betrachtet werden soll, veranschaulicht schematisch ein Modellbeispiel für die zugehörige Motorkühler-Energiebilanz der hierin dargelegten Art:
• Motorkühler-Energiebilanz
• Ziel: Modellierung der Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler der in den Motorraum 1 über den Motorkühler 3 strömenden Außenluft 4.
• Eingang: Außenlufttemperatur Taußen, die beispielsweise als Fahrzeugumgebungstemperatur T_Umgebung oder alternativ, wenn geeigneter Sensor vorhanden, als Lufttemperatur im Saugrohr vor Turbolader T_Saugrohr bereitgestellt werden kann.
• Ausgang: Lufttemperatur nach Motorkühler T_nachKühler .
  Grundsätzlich kann der Motorkühler 3 insbesondere auch als ein einseitig quervermischter Kreuzstromwärmeübertrager modelliert werden. Nachfolgend wird allerdings ein weniger abstraktes und dennoch präzises Modell verwendet:
• Die Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler der Luft über den Motorkühler 3 ist in diesem Modell proportional zu einem Kühlerwärmestrom Q̇̇_Kühler , der über den Motorkühler 3 vom Motor 2 abgeführt wird. Bei Annahme eines im Mittel näherungsweise konstanten Wirkungsgrads des Motors 2 ist Q̇_Kühler proportional zum Einspritzvolumenstrom V̇_inj , wie in 2 gezeigt. In 2 sind die jeweiligen Transportrichtungen des Kühlerwärmestroms Q̇_Kühler und anderer Wärmeströme des Modells durch dicke Pfeile angedeutet. Dabei bezeichnen Q̇_Gesamt einen Gesamtwärmeeintrag in den Motor 2, der als proportional zum Einspritzvolumenstrom V̇_inj angenommen wird; Q̇_Konvektion einen vom Motor 2 durch Konvektion im Motorraum 1 abgeführten Wärmestrom, der von einer Motorraumlufttemperatur T_{Motorraumluft} und einer Motortemperatur T_Motor abhängt; und Q̇_Kühler den für die Motorkühler-Energiebilanz interessierenden, vom Motor 2 über den Kühler 3 abgeführten Kühlerwärmestrom.
• Ein Proportionalitätsfaktor f_Thermostat zwischen dem Kühlerwärmestrom Q̇_Kühler und dem Einspritzvolumenstrom V̇_inj , der als eine Kühlwasserthermostatstellung aufgefasst werden kann, wird in diesem Beispiel mittels eines geeigneten Thermostatmodells berechnet, das weiter unten (Punkt 3.)) im Detail beschrieben wird.
• Weiterhin ist die Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler der Luft umgekehrt proportional zum Luftmassenstrom durch den Kühler 3. Als Maß für den Luftmassenstrom durch den Kühler 3 wird eine effektive Geschwindigkeit v_eff der Luft im Motorraum 1 verwendet, die in 1 durch Pfeile angedeutet ist. Diese Geschwindigkeit kann beispielsweise als eine Summe aus einem Proportionalitätsfaktor multipliziert mit der Fahrzeuggeschwindigkeit und einem Proportionalitätsfaktor multipliziert mit der Drehzahl eines Motorlüfters (nicht gezeigt) modelliert werden. Insgesamt ergibt sich die folgende Formel für die Motorkühler-Energiebilanz (die auch in 3 in Bezug auf den Kühler 3 angegeben ist): $$\mathrm{\Delta }{T}_{\text{Motorkühler}}\sim {\dot{Q}}_{\text{Kühler}}\Rightarrow \mathrm{\Delta }{T}_{\text{Motorkühler}}=f_{\mathrm{\Delta }\text{T},\text{Khüler}}\cdot f_{Thermostat}\frac{n_{Motor}^{\mathrm{0,8}}}{v_{eff}^{\mathrm{1,8}}}$$

  

  Der Wert der Proportionalitätskonstante f_{ΔT, Kühler} hängt hierbei von der Außenlufttemperatur T_außen ab und n_Motor ist die Motordrehzahl.
• Alternativ zu der obigen Formel kann der Kühlerwärmestrom Q̇_Kühler bzw. die Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler über den Kühler 3 auch als proportional zu f_{Ther mostat} und der Kühwassertemperatur T_Kühlwasser berechnet werden. Diese Methode wäre zwar einfacher, mit derjenigen gemäß der obigen Formel kann aber eine höhere Modellgenauigkeit erzielt werden.
• Da der Motorkühler 3 auch einen Wärmespeicher darstellt, wird im vorgestellten Beispiel die Temperaturerhöhung ΔT_Motorkühler ferner mit einer Zeitkonstante t_Kühler PT₁-gefiltert.
• 3, die in Verbindung mit 1 betrachtet werden soll, veranschaulicht schematisch ein Modellbeispiel für die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz der hierin dargelegten Art:
• Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz
• Ziel: Modellierung der Lufttemperatur im Motorraum T_{Motorraumluft}
• Eingänge: Temperatur T_nachKühler nach Motorkühler 3, Kühlwassertemperatur T_Kühlwasser und/oder Zylinderkopftemperatur T_ZK
• Ausgang: Motorraumlufttemperatur T_{Motorraumluft}
  Ausgangspunkt dieses Modells ist eine Energiebilanz um die Luft im Motorraum 1 zwischen dem Motorkühler 3 und dem Austritt der Luft aus dem Motorraum 1: $$m_{Motorraumluft}{c}_P\frac{d{T}_{Motorraumluft}}{dt}={\dot{H}}_{ein}+{\dot{Q}}_{ZK\to Motorraumluft}+{\dot{H}}_{aus}$$

  
• Dabei bezeichnet Ḣ_ein einen Wärme- bzw. Enthalpieeintrag durch einen Luftmassenstrom 5, der in den Motorraum 1 durch den Motorkühler 3 einströmt; Ḣ_aus einen Wärme- bzw. Enthalpieeintrag durch einen Luftmassenstrom (nicht gezeigt), der den Motorraum 1 wieder verlässt; Q̇_{ZK→Motorraumluft} einen Konvektionswärmestrom über dem Zylinderkopf des Motors 2, der von einer Differenz der Motorraumlufttemperatur T_{Motorraumluft} und einer Zylinderkopftemperatur T_ZK abhängt; m_{Motorraumluft} eine Masse und c_p eine spezifische Wärmekapazität der Motorraumluft. Aufgrund der Massenerhaltung muss der einströmende Luftmassenstrom ṁ gleich dem austretenden Luftmassenstrom ṁ sein. Dichteänderungen aufgrund der Temperaturzunahme der Luft werden vernachlässigt. Damit lautet die obige Energiebilanz $$\begin{array}{c}{m}_{Motorraumluft}{c}_P\frac{d{T}_{Motorraumluft}}{dt}\\ ={\dot{m}}_{Luft}{c}_P{T}_{nachKühler}+{\left(\alpha A\right)}_{TK}\left(T_{ZK}-T_{Motorraumluft}\right)-{\dot{m}}_{Luft}{c}_P{T}_{Motorraumluft},\end{array}$$

  

  und nach einigen Umformungen und Zusammenfassungen ergibt sich $$\frac{d{T}_{Motorraumluft}}{dt}=\frac{v_{eff}}{l_{eff}}\left(T_{\text{nachKüler}}-T_{Motorraumluft}\right)+\frac{1}{t_{Motor}}\left(T_{ZK}-T_{Motorraumluft}\right).$$

  
• Dabei können l_eff und t_Motor beispielsweise als Modellkonstanten oder als variable, insbesondere von einstellbaren Verhältnissen im Motorraum abhängige Modellgrößen abgeschätzt, ermittelt oder vorgegeben sein, wobei l_eff als eine effektive Motorraumlänge (in 1 angedeutet) veranschaulicht werden kann, die für die betreffende Energiebilanz relevant ist. Diese Gleichung erlaubt die Berechnung der Änderung der Lufttemperatur im Motorraum 1. Verzichtet man auf das Zylinderkopfmodell (siehe unten Punkt 4.)), kann die Zylinderkopftemperatur T_ZK mit der Kühlwassertemperatur T_Kühlwasser ersetzt werden. Um einen damit möglicherweise einhergehenden Verlust an Genauigkeit teilweise zu kompensieren, kann beispielsweise während des Motorwarmlaufs ein anderer Wert für t_Motor gewählt werden als bei betriebswarmem Motor 2.
• Thermostatmodell
• Im Folgenden wird ein oben erwähntes Thermostatmodell für passive Thermostate vorgestellt, das die Kühlwasserthermostatstellung f_Thermostat für die obige Motorkühler-Energiebilanz bereitstellt. Grundsätzlich ist das Modell auch auf aktive (zusätzlich elektrisch beheizte) Thermostate erweiterbar.
• Ziel: Modellierung eines Maßes für einen Kühlwasserstrom vom Motor 2 zum Motorkühler 3
• Eingang: Kühlwassertemperatur T_Kühlwasser am Motoraustritt
• Ausgang: Proportionalitätsfaktor f_Thermostat (Wertebereich: 0 <= f_Thermostat <= 1)
• Das Modell hat in diesem Beispiel zwei Schwellen: $${\text{T}}_{\text{Kühlwasser}}<{\text{T}}_{\text{SchwelleThermostatZu}}=>{\text{f}}_{\text{Thermostat}}=0$$

  

  $${\text{T}}_{\text{Kühlwasser}}>{\text{T}}_{\text{SchwelleThermostatOffen}}=>{\text{f}}_{\text{Thermostat}}=1$$

  
• Diese Schwellwerte können beispielsweise aus einer Thermostatspezifikation entnommen oder über eine Adaptionsfunktion im Kraftfahrzeug gelernt werden. Genauer wird die Adaptionsfunktion eine mittlere Temperatur lernen, auf die das Thermostat regelt. Die beiden Schwellen T_{SchwelleThermostatZu} und T_{SchwelleThermostatOffen} können dann aus dieser mittleren Temperatur berechnet werden.
• Zwischen den beiden obigen Schwellen wird f_Thermostat beim vorliegenden Modell aus einem Vergleich einer aktuellen Motortemperatur mit einem exponentiell geglätteten Mittelwert, der rein beispielhaft auf den letzten 100 s basieren kann, (T_{MovAvg, 100S} ) berechnet:
• • f_Thermostat = (T_Kühlwasser - T_Thermostat, zu)/(T_Thermostat, _offen - T_Thermostat, zu),
• • T_{Thermostat,zu} = max(T_{MovAvg, 100s} - T_Schwelle, T_{SchwelleThermostatZu}),
• • T_{Thermostat, offen} = min(T_{MovAvg, 100s} + T_Schwelle, T_{SchwelleThermostatOffen}),
• • T_Schwelle ist dabei ein Modellparameter.
• 4 veranschaulicht schematisch ein Modellbeispiel für die Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz der hierin dargelegten Art:
• Zylinderkopftemperaturmodell
• Ziel: Modellierung der Zylinderkopftemperatur T_ZK
• Eingänge: Kühlwassertemperatur T_Kühlwasser , wenn vorhanden Motoröltemperatur T_Motoröl , Motorraumlufttemperatur T_{Motorraumluft} ; weitere Informationen aus dem Kühlwasserkreislauf wie Kühlwasserventilstellungen, Kühlwasserpumpendrehzahlen etc..
• Ausgang: Zylinderkopftemperatur T_ZK
• Ausgangspunkt des Zylinderkopfmodells ist die Energiebilanz um den Zylinderkopf 6, die in 4 veranschaulicht ist: $${\left(m{c}_P\right)}_{ZK}\frac{d{T}_{ZK}}{dt}={\dot{Q}}_{Kühlwasser\to ZK}+{\dot{Q}}_{Motorraumluft\to ZK}+{\dot{Q}}_{Motoröl\to ZK}$$

  
• Dabei ist (mc_P)_ZK die Wärmekapazität des Zylinderkopfs 6. Die Wärmeströme Q von Kühlwasser, Motoröl und Motorraumluft zum Zylinderkopf 6 werden in diesem Beispiel wie folgt modelliert. Für den Wärmestrom vom Kühlwasser zum Zylinderkopf 6 ist es die folgende Relation: $${\dot{Q}}_{Kühlwasser\to ZK}=f_{Kühlwasser\to ZK}{n}_{\text{Motor}}\left(T_{Kühlwasser}-T_{ZK}\right)$$

  
• Der Exponent der Motordrehzahl n_Motor kann dabei auch von 1 verschieden sein, z. B. 0,8. Je nach Ausgestaltung des Kühlwassersystems kann es vorteilhaft für die Genauigkeit des Zylinderkopfmodells sein, weitere Informationen aus dem Kühlwasserkreislauf wie Kühlwasserventilstellungen, Kühlwasserpumpendrehzahlen etc. zu berücksichtigen. f_{Kühlwasser→ZK} ist eine Modellkonstante.
• Für den Konvektions-Wärmestrom von der Motorraumluft zum Zylinderkopf 6 ergibt sich: $${\dot{Q}}_{Motorraumluft\to ZK}=f_{Motorraumluft\to ZK}{v}_{\text{eff}}\left(T_{Motorraumluft}-T_{ZK}\right)$$

  
• Der Exponent der oben bereits eingeführten effektiven Geschwindigkeit v_eff der Motorraumluft kann auch von 1 verschieden sein, z.B. 0,8. f_{Motorraumluft→ZK} ist eine Modellkonstante. Man erkennt, dass das Zylinderkopf- und das Motorraumlufttemperaturmodell eng miteinander gekoppelt sind.
• Es kann zwar angenommen werden, dass es in der Regel keinen direkten Wärmestrom vom Motoröl zum Zylinderkopf 6 gibt bzw. dass dieser direkte Wärmestrom nicht signifikant ist. Da aber die Zylinderkopftemperatur T_ZK und die Motoröltemperatur T_Motoröl miteinander korreliert sind, wird die Motoröltemperatur T_Mo t_oröl , wenn vorhanden, im Modell verwendet. Dabei findet die Motoröltemperatur T_Motoröl nur Eingang in die Berechnung, wenn sie höher ist als die Kühlwassertemperatur, also nur falls T_Motoröl > T_Kühlwasser: $${\dot{Q}}_{Motoröl\to ZK}=f_{Motoröl\to ZK}\left(T_{Motoröl}-T_{Kühlwasser}\right)$$

  
• Dabei ist f_{Motoröl→ZK} eine Modellkonstante. Wenn T_Motoröl <= T_Kühlwasser, gilt: $${\dot{Q}}_{Motoröl\to ZK}=0$$

  
• 5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für ein Ladeluftkühlermodell der hierin dargelegten Art:
• Ladeluftkühlermodell
• Ziel: Modellierung der Erhöhung der Lufttemperatur im Motorraum 1 durch einen Ladeluftkühler 7 (kurz: LLK)
• Eingang: Ladelufttemperatur nach Ladeluftkühler T_{LadeluftNachLLK}
• Ausgang: Lufttemperatur im Motorraum 1 nach LLK: T_{MotorraumlufNachLLK}
• Zunächst wird die in diesem Beispiel gemessene Ladelufttemperatur nach Ladeluftkühler T_{LadeluftNachLLK} mit einem PT₁-Filter tiefpassgefiltert (Zeitkonstante: t_LLK ), um die thermische Speicherfähigkeit des Ladeluftkühlers 7 zu modellieren. Anschließend wird analog zum obigen Motorraumluftmodell die Änderung der Motorraumlufttemperatur durch den Ladeluftkühler 7 wie folgt berechnet: $$\frac{d{T}_{Motorraumluft}}{dt}=\frac{v_{eff}}{l_{eff,LLK}}\left(T_{\text{LadeluftNachLLK},\text{PT1r}}-T_{MotorraumluftVorLLK}\right)$$

  
• Wie in der schematischen Skizze der 4 angedeutet, kann auch hier analog zum Motorraumluftmodell die neben der effektiven Geschwindigkeit v_eff weitere Modellkonstante bzw. variable Modellgröße l_{eff, LLK} als eine effektive Motorraumlänge aufgefasst werden, die für die betreffende Energiebilanz in Bezug auf den Ladeluftkühler 7 relevant ist.
• Die Berücksichtigung der Temperaturerhöhung der Luft durch den Ladeluftkühler 7 kann im obigen Motorraumluftmodell an verschiedenen Stellen erfolgen:
• - Am Eingang des Motorkühlermodells: Verwendung von T_außen (d. h. T_{Um gebung} bzw. T_Saugrohr , siehe oben) als T_{MotorraumluftVorLLK}
• - Am Ausgang des Motorkühlermodells: Verwendung von T_nachKühler als T_{MotorraumluftVorLLK}
• - Am Ausgang des Motorraumlufttemperaturmodells: Verwendung von T_{Motorraumluft} als T_{MotorraumluftVorLLK}
• Dabei muss die Position des Ladeluftkühlers 7 im Modell nicht notwendigerweise der Anordnung des Ladeluftkühlers im realen Kraftfahrzeug entsprechen.
• Klimaanlagenkondensatormodell
• Eine weitere signifikante Wärmequelle im Motorraum 1 stellt der Kondensator einer Klimaanlage dar. Die Modellierung kann hierbei analog zum Motorkühler 3 erfolgen. Der über den Kondensator abgegebene Wärmestrom (im obigen Motorkühlermodell V̇_Inj · f_Thermostat) kann in erster Näherung proportional zur Differenz zwischen einer Klimaanlagen-Soll-Temperatur und der Außenlufttemperatur T_außen angenommen werden.
• 5 zeigt repräsentative Messkurven einer Motorraumlufttemperatur 8 über dem Zylinderkopf, einer Zylinderkopftemperatur 9, einer Motortemperatur 10, einer Öltemperatur 11, einer Lufttemperatur bei CR-Pumpe 12, einer Außenlufttemperatur 13 und einer Fahrzeuggeschwindigkeit 14 gegenüber Modellkurven der Motorraumlufttemperatur über dem Zylinderkopf 15 und der Zylinderkopftemperatur 16, die gemäß dem Verfahren der hierin dargelegten Art rechnerisch ermittelt wurden. Bei dieser dreistündigen Messfahrt im Schwarzwald betrug der RMS-Fehler des modellierten Lufttemperatur über dem Zylinderkopf lediglich etwa 2,8 K. Zuvor ist das Modell auf Basis zweier Messfahrten mit völlig anderem Fahrprofil bedatet worden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102007053082 A1 [0003]

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten: Bereitstellen eines Außenlufttemperaturwerts (T_außen) für das Kraftfahrzeug; Ermitteln einer motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung (Δ_{TMotorkühler}) der in einen Motorraum (1) des Kraftfahrzeugs durch einen Motorkühler (3) strömenden Außenluft (4) mittels einer von dem bereitgestellten Außenlufttemperaturwert (T_außen) abhängigen Motorkühler-Energiebilanz und Betreiben des Verbrennungsmotors (2) abhängig von der ermittelten motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung (Δ_{TMotorkühler}) der in den Motorraum (1) strömenden Außenluft (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als weitere Motorkühler-Modellparameter, von denen die Motorkühler-Energiebilanz abhängt, eine Kühlwasserthermostatstellung (f_Thermostat) und/oder ein Einspritzvolumenstrom (V̇_inj) und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine Motordrehzahl (n_Motor) und/oder eine Kühlwassertemperatur (T_Kühlwasser) und/oder eine Motortemperatur (T_Motor) bereitgestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei abhängig von der ermittelten motorkühlerbedingten Temperaturerhöhung (ΔT_Motorkühler) der Außenluft (4) ferner eine Motorraumlufttemperatur (T_{Motorraumluft}) mittels einer dynamischen Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz ermittelt wird und der Verbrennungsmotor (2) abhängig von der ermittelten Motorraumlufttemperatur (T_{Motorraumluft}) betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz einen Wärmeeintrag durch einen in den Motorraum (1) durch den Motorkühler (3) einströmenden Luftmassenstrom (5) und einen den Motorraum (1) verlassenden Luftmassenstrom umfasst, wobei als weitere Motorraumlufttemperatur-Modellparameter, von denen die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz abhängt, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine effektive Motorraumlänge (l_eff) bereitgestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei ferner eine Zylinderkopftemperatur (T_ZK) mittels einer von der Motorraumlufttemperatur (T_{Motorraumluft}) abhängigen dynamischen Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz ermittelt wird und die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz einen von der ermittelten Zylinderkopftemperatur (T_ZK) abhängigen Wärmeaustausch der Motorraumluft mit dem Zylinderkopf (6) des Verbrennungsmotors (2) umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als weitere Zylinderkopftemperatur-Modellparameter, von denen die Zylinderkopftemperatur-Energiebilanz abhängt, eine oder mehrere der folgenden Angaben bereitgestellt werden: eine Kühlwassertemperatur (T_Kühlwasser), eine Motordrehzahl (n_Motor), eine Kühlwasserventilstellung, eine Kühlwasserpumpendrehzahl, eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Motorlüfterdrehzahl, eine Motoröltemperatur (T_Motoröl), eine Motortemperatur (T_Motor).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ferner ein Ladelufttemperaturwert (T_{LadeluftNachLLK}) nach einem Ladeluftkühler (7) bereitgestellt wird und die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz einen von dem bereitgestellten Ladelufttemperaturwert (T_{LadeluftNachLLK}) abhängigen ladeluftkühlerbedingten Wärmeeintrag umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als weitere Ladeluftkühler-Modellparameter, von denen der ladeluftkühlerbedingte Wärmeeintrag abhängt, eine Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder eine Motorlüfterdrehzahl und/oder eine effektive ladeluftkühlerbedingte Motorraumlänge (l_{eff, LLK}) bereitgestellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Motorraumlufttemperatur-Energiebilanz ferner einen kondensatorbedingten Wärmeeintrag durch einen Klimaanlagenkondensator umfasst.
10. Verfahren Anspruch 9, wobei als Klimaanlagenkondensator-Modellparameter, von dem der kondensatorbedingte Wärmeeintrag abhängt, eine Differenz zwischen einer Klimaanlagen-Soll-Temperatur und dem Außenlufttemperaturwert (T_außen) bereitgestellt wird.
11. Vorrichtung, insbesondere eine Steuerungseinheit, zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
12. Computerprogramm, welches, wenn es in einer Steuerungseinheit oder einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.

Images