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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen und deren regelungstechnische Auswertung mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 1 genannten Merkmalen sowie eine Vorrichtung zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen mit den im Oberbegriff des Patenanspruches 10 genannten Merkmalen.
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Es ist allgemein bekannt, den Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine durch ein Motorsteuergerät anhand der aktuellen Motordaten wie Fahrerwunschmoment, Motordrehzahl, Motortemperatur, Abgastemperatur, Verhältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches (λ-Wert) usw. zu regeln. Dabei muss beachtet werden, dass beim Realisieren eines Fahrerwunschmomentes durch Einstellen des Arbeitsmodus die Abgastemperatur der Verbrennungsgase nicht soweit erhöht wird, dass sie die zulässige Grenztemperatur in dem dem Motor nachgeschalteten Abgasstrang überschritten wird. Ein Überschreiten der zulässigen Grenztemperaturen würde die Bauteile des Abgasstranges, wie beispielsweise den Katalysator, den Abgasturbolader, den Abgaskrümmer oder die Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine beschädigen oder zerstören.
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Aus der
DE 40 27 207 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der katalytischen Aktivität eines von Abgas durchströmten Katalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine vorbekannt, bei dem aus Signalen zumindest zweier Temperaturmessfühler, die dem Katalysator zugeordnet sind, eine Temperaturmessgröße gebildet wird. Die Temperaturmessgröße wird über einen Zeitraum beobachtet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Ist die Temperaturmessgröße kleiner als der Grenzwert, wird eine Meldung zur Anzeige eines Defektes des Katalysators veranlasst.
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Aus der
DE 26 43 739 C2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Überwachung der Aktivität von Katalysatoren für die Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen vorbekannt, bei dem über eine Temperaturvergleichsmessung mittels zweier Temperaturfühler die im Katalysator entstehende Wärmetönung gemessen wird. Bei einer vorliegenden Temperaturdifferenz wird angezeigt, dass der Katalysator funktionsunfähig ist. Die beiden Temperaturfühler sind dabei dicht nebeneinander im Katalysatorsystem angeordnet.
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Vorbekannt ist aus der
DE 196 48 427 C2 ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Katalysators einer Brennkraftmaschine. Dabei wird die Katalysatortemperatur ermittelt, mit einer Vergleichstemperatur verglichen und die der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Katalysatortemperatur zur Vergleichstemperatur mit einer vorgebbaren Menge korrigiert.
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Aus der
DE 100 20 199 A1 ist eine Temperaturmesseinrichtung für einen Katalysator eines Verbrennungsmotors vorbekannt, bei der koaxial zur Längsachse des Katalysators im Katalysator ein Thermoprofilsensor eingebaut ist. Über die Längsachse der Temperaturmesseinrichtung sind mehrere Messstellen zur Ermittlung der Katalysatortemperatur verteilt angeordnet. Über Kontaktdrähte sind die Messstellen mit einer elektronisch gesteuerten Auswerteeinrichtung verbunden.
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Durch die Anmelderin wurde entsprechend der
DE 103 35 371 A1 vorgeschlagen, mittels einer Thermographiekamera die Temperatur auf einer frei zugänglichen Oberfläche eines Katalysators zu messen.
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Nachteilig des beschriebenen Standes der Technik ist, dass mit den vorhandenen Temperaturmesseinrichtungen eine Messung von Temperaturen im Inneren des Katalysators nicht möglich ist. Im Fahrzeug können zur Zeit nur Thermoelemente verwendet werden. Die Temperaturänderungen am Katalysator werden durch die Thermoelemente jedoch verzögert und gedämpft angezeigt, da diese ein thermisch träges Ansprechverhalten aufweisen. Durch die verzögerte Ermittlung der jeweilig vorliegenden Katalysatortemperatur können die aus dem Motorbetrieb hervorgerufenen Ursachen für eine Temperaturänderung nicht erkannt werden bzw. die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungsmaschine erfolgt zeitlich verzögert, so dass die maximal zulässige Temperatur im Innern des Katalysators überschritten wird. Eine genaue Ermittlung der Maximaltemperatur im Innern des Katalysators ist aber für die Vermeidung von Katalysatorschäden unbedingt erforderlich. Der Einsatz einer Thermografiekamera im Fahrzeug während des Fahrbetriebes ist durch den erhöhten Raumbedarf nicht möglich.
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Aus der
DE 38 12 020 A1 ist eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Temperatur von Gegenständen in einer geschlossenen, mit Sichtfenstern versehenen Kammer vorbekannt. Mittels eines optischen Temperaturmessgerätes wird durch das Sichtfenster die Temperatur der Gegenstände in der Kammer gemessen. Die Kalibrierung des optischen Temperaturmessgerätes erfolgt anhand eines innerhalb der Kammer angeordneten, auf eine bestimmte Temperatur aufheizbaren Referenzkörpers.
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Weiterhin ist es bekannt, eine berührungslose Messung der Temperatur mittels eines Pyrometers durchzuführen und die so ermittelten Werte in einem nachgeschalteten Prozessor auszuwerten (
DE 199 22 277 A1 ,
DE 16 48 296 A1 ,
DE 41 14 369 A1 ).
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Diese Schutzrechte beinhalten eine berührungslose Temperaturmessung der Oberfläche von Gegenständen. Eine Ermittlung eines Kennlinienfeldes, zum Einstellen maximal zulässiger Temperaturbelastungen der katalytischen Oberfläche eines Metallkatalysators einer Verbrennungsmaschine durch Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungsmaschine mittels eines Motorsteuergerätes, ist mit diesen Vorrichtungen nicht vorgesehen.
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Aus der
DE 41 03 747 A1 ist es bekannt, durch Temperaturmessfühler die Temperatur des Katalysators zu ermitteln und diese Werte einem Steuergerät zuzuführen. Durch das Motorsteuergerät erfolgt die Steuerung des Verbrennungsmotors ohne Berücksichtigung der Temperatur des Katalysators. Erst bei Erreichen einer kritischen Katalysatortemperatur werden die Steuerdaten derart modifiziert, dass eine weitere Temperaturerhöhung vermieden wird.
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Nachteilig bei der in der
DE 41 03 747 A1 beschriebenen Lösung ist, dass die Temperatur des Katalysators mittels Temperaturmessfühler ermittelt wird. Durch die Temperaturmessfühler werden die Temperaturänderungen im Katalysator aufgrund des trägen Ansprechverhaltens verzögert und gedämpft angezeigt. Bei einem schnellen Temperaturanstieg erfolgt ein verspäteter Regeleingriff, so dass Schäden an dem Katalysator durch zu hohe Temperaturen nicht ausgeschlossen werden können. Durch die Temperaturmessfühler wird zwar die Temperatur und die Tendenz der Temperaturentwicklung ermittelt, aber eine genaue Zuordnung zu den Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine, die Ursache für eine Temperaturänderung im Katalysator sind, erfolgt nicht.
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Aus der
DD 234 931 A1 ist es bekannt, die Temperatur in einem Abgaskanal mittels pyrometrischer Temperaturmessung nahezu verzögerungsfrei zu bestimmen. Mit dieser Vorrichtung ist es nichtmöglich, die ermittelte Temperaturänderung den jeweilig dafür zuständigen Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine zuzuordnen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen und deren regelungstechnische Auswertung sowie eine dazugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit dem eine Temperatur an den Bauteilen des Abgasstranges einer Verbrennungskraftmaschine auch während des Fahrbetriebes schneller und genauer ermittelt werden können und die ermittelten Daten eine Grundlage für eine nachfolgende weitere regelungstechnische Auswertung bilden.
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Diese Aufgabe wird entsprechend dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entsprechend der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird mit einem eindimensionalen Pyrometer und einem speziell angepasstem Saphirlichtleiter eine Messsequenz eines Messfleckes auf der Messoberfläche an einer oder mehreren verschiedenen Stellen im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen, in einer Auswertungseinheit aus der Messsequenz ein Intensitätsprofil über die Messdauer ermittelt und anhand einer Kalibrierkurve aus dem Intensitätsprofil eine Temperaturkurve ermittelt. Parallel zur Messsequenz werden die am Motorsteuergerät anliegenden und von ihm ausgegebenen Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine erfasst und deren Daten gespeichert. Durch eine zeitsynchrone Triggerung der ermittelten Temperaturkurve mit den einzelnen Daten der Betriebsparameter erfolgt in einer Datenauswertungseinrichtung eine Zuordnung der für die Temperaturänderung des Bauteils maßgeblichen Betriebsparameter. Durch Variieren eines oder mehrerer für die Temperaturänderung des Bauteils maßgeblichen Betriebsparameter wird die maximal zulässige Temperatur eingeregelt und die dafür optimalen Betriebsparameter im Motorsteuergerät als Kennlinienfeld abgelegt.
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Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Motorsteuergeräts vor. Dieses erfolgt durch eine zeitsynchrone Triggerung der ermittelten Temperaturkurve mit den einzelnen Daten der über das Motorsteuergerät ermittelten Betriebsparameter und durch Vergleich dieser Daten mit einem im Motorsteuergerät abgelegten Kennlinienfeldes der Betriebsparameter, wodurch ein optimales Einstellen der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine bei Einhaltung der maximal zulässigen Bauteiltemperatur erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem an einer oder mehreren Messstellen innerhalb des Abgasstranges der Verbrennungsmaschine angeordnetem Lichtleiter, zur Aufnahme einer Messsequenz eines Messflecks, der datentechnisch mit einem Pyrometer und anschließender Auswertungseinheit einer mit wenigstens einem an der Messstelle angeordneten Thermoelement verbundenen Kalibrierung, einer Kalibrierung, einer weiteren Auswertungseinrichtung, einem Datenspeicher sowie mit einem Motorsteuergerät verbunden ist.
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Durch den Einsatz eines oder mehrerer Pyrometer zum Erstellen einer oder mehrerer Temperaturkurven für die katalytische Oberfläche an verschiedenen Stellen des Abgasstranges einer Verbrennungskraftmaschine, ist es möglich eine lokale Maximaltemperatur genau und ohne zeitliche Verzögerung zu bestimmen und andererseits ermöglicht die pyrometrische Aufnahme eine genaue Zuordnung zu den Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine. Entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich gegenüber dem Stand der Technik zeitlich genauere Aussagen zur jeweiligen Bauteilbelastung im Abgasstrang erstellen.
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Die zeitsynchrone Triggerung mit den Betriebsparametern der Verbrennungsmaschine ermöglicht das Ermitteln der Ursachen für eine Temperaturänderung an den Bauteilen des Abgasstranges durch den Motorbetrieb Durch Realisieren von unterschiedlichen Betriebszuständen der Verbrennungsmaschine werden die optimalen Betriebsparameter für eine maximal zulässige Temperaturbelastung erstellt und im Motorsteuergerät gespeichert abgelegt.
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Im Fahrbetrieb erfolgt über das Motorsteuergerät anhand der ermittelten Temperaturen und eines im Motorsteuergerät abgelegten Kennfeldes eine derartige Steuerung der Betriebsparameter des Motors, dass eine maximal zulässige Bauteiltemperatur des Abgasstranges nicht überschritten wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch den Einsatz eines Lichtleiters zur Erfassung der Messsequenz die Strömung der Abgase im Abgasstrang nicht wesentlich beeinflusst wird und somit Störungseinflüsse durch die Temperaturmessung weitestgehend vermieden werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen,
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2: eine Vergleichsmessung zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Stand der Technik.
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In der 1 ist mit 5 eine Verbrennungskraftmaschine dargestellt, der abgasseitig ein Katalysator 1 nachgeschaltet ist, der von dem Abgasmassenstrom 2 der Verbrennungsmaschine 5 durchströmt wird. Das Erfassen und die Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 5 erfolgt in an sich bekannter Weise mittels eines Motorsteuergerätes 7. Dabei werden mittels des Motorsteuergeräts 7 die Betriebsparameter wie λ-Wert, Motordrehzahl, Motortemperatur, Drosselklappenstellung, Zündwinkelverstellung und dergleichen erfasst und eingestellt.
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Die erfindungsgemäße Lösung zum abgasseitigen Erfassen von Temperaturen an Verbrennungskraftmaschinen 5 und deren regelungstechnische Auswertung wird erläutert am Beispiel des im Abgasstrang angeordneten Katalysators 1.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung der Temperaturbelastung der katalytischen Oberfläche des Katalysators 1 mittels eines Pyrometers 3 das mit einem speziell adaptierten Lichtleiter 14 verbunden ist, der an eine beliebige Position ins Innere des Katalysators 1 geschoben wird. Dabei können mehrere Lichtleiter 14 innerhalb des Katalysators 1 an verschiedenen Stellen zur Erfassung der Messsequenz von unterschiedlichen Messflecken positioniert werden. Das Pyrometer 3 kann am Fahrzeug an einem beliebig freien Platz befestigt werden.
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In einer Auswertungseinrichtung 6 wird aus der gespeicherten Messsequenz ein Intensitätsprofil über die Messdauer erstellt. Mittels einer in der Kalibrierung 9 abgelegten Kalibrierkurve wird aus dem Intensitätsprofil eine Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Zeit t erstellt. Parallel dazu werden über ein Motorsteuergerät 7 die Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 5 erfasst und deren Daten gespeichert. Ebenso werden über das Motorsteuergerät 7 die Getriebedaten der Getriebesteuerung 12 erfasst und gespeichert, da bei einem Getriebeeingriff das anliegende Drehmoment über Einspritzmengenreduzierung, Schubabschaltung, Drosselklappenänderung oder Zündwinkeländerung abgebaut wird.
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Eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, mit Hilfe der ermittelten Werte ein Kennlinienfeld zum Einstellen einer maximal zulässigen Temperaturbelastung an temperaturgefährdeten Bauteilen des Abgasstranges der Verbrennungskraftmaschine 5, gemäß des Ausführungsbeispiels an der katalytischen Oberfläche des Katalysators 1, zu erstellen. Dabei erfolgt in einer Auswertungseinheit 10 eine zeitsynchrone Triggerung der ermittelten Temperaturkurve mit den einzelnen im Motorsteuergerät 7 ermittelten Betriebsdaten. Über eine Betriebsparametereingabe 13 können noch zusätzliche Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Veränderung der Fahrpedalstellung, der Auswertungseinheit 10 eingegeben werden. In einem Datenspeicher 11 werden zu den jeweilig vorliegenden Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 5, der Getriebesteuerung 12 und der zusätzlichen Betriebsparametereingabe 13 zeitgenau die ermittelte Temperaturkurve der katalytischen Oberfläche des Katalysators 1 abgelegt, so dass die für eine Temperaturänderung des Katalysators 1 verantwortlichen Betriebsparameter erkennbar sind. Durch Variieren eines oder mehrerer für die Temperaturänderung des Katalysators 1 maßgeblichen Betriebsparameter wird die maximal zulässige Temperatur des Katalysators 1 eingestellt und die dafür optimalen Betriebsparameter werden vom Datenspeicher 11 im Motorsteuergerät 7 abgelegt. Das Einstellen der maximal zulässigen Temperatur des Katalysators 1 erfolgt durch ein Verstellen der für die Temperaturänderungen maßgeblichen Betriebsparameter.
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Die Verbrennungskraftmaschine 5 wird bei unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben, wobei für jeden Betriebszustand ein Kennlinienfeld für eine maximal zulässige Temperaturbelastung des Katalysators 1 im Datenspeicher 11 erstellt und gespeichert und danach im Motorsteuergerät 7 gespeichert abgelegt wird. Die motorspezifisch ermittelten Kennlinienfelder werden dann in allen der Motorart betreffenden Motorsteuergeräten 7 abgelegt, so dass im Betriebszustand über das Motorsteuergerät 7 die jeweiligen Betriebsparameter so eingestellt werden, dass eine maximal zulässige Katalysatortemperatur nicht überschritten wird.
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Die Aufnahme der Messsequenz zur Ermittlung eines Kennlinienfeldes zum Einstellen maximal zulässiger Temperaturbelastungen an temperaturgefährdeten Bauteilen des Abgasstranges der Verbrennungskraftmaschine 5 kann während des Fahrbetriebes oder im Motorprüfstand erfolgen.
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Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die ermittelten, die Temperaturkurve beschreibenden Werte zur Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine, mittels eines Motorsteuergeräts verwendet werden. In der Auswertungseinheit 10, die Bestandteil des Motorsteuergerätes 7 sein kann, erfolgt eine zeitsynchrone Triggerung der ermittelten Temperaturkurve mit den einzelnen Daten der über das Motorsteuergerät 7 ermittelten Betriebsparameter. Durch einen Vergleich dieser Daten mit einem im Motorsteuergerät 7 abgelegten Kennlinienfeldes der Betriebsparameter, erfolgt anhand des Kennlinienfeldes ein optimales Einstellen der Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 5 bei Einhaltung der maximal zulässigen Temperatur des Katalysators 1 bzw. andere Bauteile im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine 5.
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Die Kalibrierung 9 des Pyrometers 3 erfolgt durch Erstellen einer Kalibrierkurve, wobei ein Intensitätsabgleich zur tatsächlichen Temperatur durch den Abgleich mit einem Thermoelement 8 erfolgt. Das Thermoelement 8 ist parallel zum Lichtleiter 14 so angeordnet, dass es in einem stationären Betriebspunkt die gleiche Ortstemperatur misst wie das Pyrometer 3. Dabei muss das Pyrometer 3 über den Lichtleiter 14 dauerhaften Kontakt zum Messobjekt haben. Die Temperaturen des gesamten Messbereiches des Pyrometers 3 müssen durch Stützstellen während der Kalibrierung durchfahren werden. Jeder Kalibrierpunkt muss stationär eingestellt werden und eine angemessene Zeit konstant gehalten werden, um die thermische Trägheit des Thermoelementes 8 vernachlässigen zu können. Die so erstellte Kalibrierkurve stellt die Grundlage für die Umrechnung der dynamischen Intensitätskurven in Temperaturkurven dar.
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Um den tatsächlichen Verrußungszustand während einer Messung zu berücksichtigen, wird während einer Stationärphase der Betriebsparameter und während einer Messung an der Messstelle, ein Abgleich zwischen dem Thermoelement
8 und dem Pyrometer
3 vorgenommen. Während des Fahrbetriebes wird eine Trübung des optischen. Fensters
4 des Lichtleiters
14 durch Messung an einem Referenzpunkt ermittelt und bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Selbstreinigungsvorgang durchgeführt. Die Ermittlung des Verschmutzungsgrades des optischen Fensters
4 und dessen Reinigung erfolgt beispielsweise entsprechend den in der
DE 102 08 485 A1 beschriebenen Verfahren.
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Erfindungsgemäß kann die Temperatur an einer und/oder mehreren verschiedenen Stellen an der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 5 ermittelt werden, die dann entsprechend zur Ermittlung eines Kennlinienfeldes zum Einstellen maximal zulässiger Temperaturbelastungen an temperaturgefährdeten Bauteilen des Abgasstranges der Verbrennungskraftmaschine 5 oder zur Regelung des Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 5 mittels eines Motorsteuergeräts 7 verwendet wird. Dabei sind ein oder mehrere Lichtleiter 14 an einer oder mehreren Stellen im Inneren eines Katalysators 1 oder eines Partikelfilters und/oder an den Schaufelrädern eines Abgasturboladers und/oder an den Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine 5 und/oder an anderen abgasseitigen Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine 5 angeordnet.
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In der 2 ist eine Vergleichsmessung der Temperatur mittels Pyrometrie und Thermoelement im Innern eines Katalysators dargestellt. Daraus ist erkennbar, dass die durch Thermoelement ermittelten Werte gegenüber den mit der Pyrometrie ermittelten Werten ungenauer und auf Grund ihres trägen Ansprechverhaltens zeitlich versetzt sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Lichtleiter 14, dessen optisches Fenster 4 sich in der Nähe der Messstelle, beispielsweise innerhalb des Katalysators 1, befindet. Der hochtemperaturfeste Lichtleiter 14, vorzugsweise ein Saphirlichtleiter, ist mit dem Pyrometer 3 zur Aufnahme und Speicherung der Messsequenz des Messflecks verbunden. Das Pyrometer 3 ist wiederum datentechnisch über eine Auswertungseinheit 6 mit einer Kalibrierung 9, einer weiteren Auswertungseinrichtung 10, einem Datenspeicher 11 sowie mit einem Motorsteuergerät 7 verbunden. Die Abtastfrequenz des Pyrometers 3 zur Aufnahme der Messsequenz liegt im Bereich zwischen 0,5 Hz bis 1 kHz.
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Zur Kalibrierung des Pyrometers 3 ist die Kalibrierung 9 mit dem an der Messstelle angeordnetem Thermoelement 8 verbunden. Die Auswerteeinheit 10 und der Datenspeicher 11 können auch Bestandteile des Motorsteuergeräts 7 sein.
