DE112008000618T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Schätzen einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors während des Betriebs des Motors, umfassend:
Ermitteln von Zuständen mehrerer Parameter einer Verbrennungsladung;
darauf beruhend Schätzen einer Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung und
Schätzen der Abgastemperatur beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotoren und im Einzelnen das Ermitteln einer Abgastemperatur derselben.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Angaben in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
  • Moderne Verbrennungsmotoren sind mit hochentwickelten Systemen zum Überwachen und Steuern verschiedener Aspekte von Motorleistung während des laufenden Betriebs ausgestattet, um die Forderungen eines Fahrers nach Leistung, einschließlich Drehmoment und Kraftstoffwirtschaftlichkeit, zu erfüllen und Regierungsbestimmungen bezüglich Emissionen, Sicherheit und Kraftstoffwirtschaftlichkeit nachzukommen. Solche Systeme umfassen Erfassungsvorrichtungen und Aktuatoren, die mit einem oder mehreren Steuermodulen verbunden sind, die Computerprogramme zum Überwachen und Steuern von Motorbetrieb während des laufenden Betriebs ausführen.
  • Die Abgastemperatur ist ein wichtiger Parameter, der von Konstrukteuren von Motorsystemen verwendet wird. Zur Veranschaulichung einer Not wendigkeit einer präzisen Ermittlung von Abgastemperatur haben Emissionsanforderungen zur Implementierung von Abgasrückführungssystemen (AGR-Systemen) kombiniert mit Nachbehandlungssystemen zum Verringern von Motoremissionen geführt. Die Steuerung der Abgasrückführung erfordert eine präzise Ermittlung des AGR-Massenstroms. Solche Verfahren umfassen das Berechnen von AGR-Strom aus einer Gasstromgleichung durch eine Düse und das Ermitteln einer Differenz zwischen dem Ladeluft-Massenstrom und dem Frischluft-Massenstrom. Solche Berechnungen nutzen Motorabgasdruck als eine der Eingabevariablen. Manche Motorhersteller haben einen Abgasdrucksensor implementiert, um Abgasdruck zu ermitteln, während andere eine Schätzung des Abgasdrucks in Betracht gezogen haben. Eine typische Berechnung des AGR-Stroms ist wie folgt in Gleichung 1:
    Figure 00020001
    wobei Pex Abgasdruck umfasst, Pim Ansaugkrümmerdruck umfasst, Tegr die aus einem AGR-Kühler austretende AGR-Gastemperatur ist; C ein Ablasskoeffizient ist und A einen betroffenen Bereich eines Ventils betrifft. Die Ermittlung des Abgasdrucks Pex durch Schätzung erfordert eine gewisse Kenntnis des Abgastemperatureingangs, um die Schätzung auszuführen.
  • Weiterhin erfordern Diagnoseregelungen bei Dieselmotoren die Detektion von Verschmutzung oder Verstopfung eines AGR-Gaskühlers, wenn sie einen Anstieg der Motoremissionen bewirkt. Zum Überwachen der Verschmutzung eines AGR-Kühlers ist häufig eine Kenntnis von AGR-Gas temperaturen in den und aus dem AGR-Kühler erforderlich. Die AGR-Gastemperatur in den AGR-Kühler ist die Abgastemperatur.
  • Die Überwachung der Abgastemperatur kann zum Vorsehen anderer Abläufe verwendet werden. Diese umfassen einen Regelkreis zum Schützen von Abgaskomponenten, einschließlich einer Turbine für ein turbogeladenes System. Die Überwachung der Abgastemperatur kann auch beim Steuern der Temperatur des Abgas-Zufuhrstroms zu verschiedenen an einem Fahrzeug implementierten Emissionsvorrichtungen verwendet werden.
  • Es kann bevorzugt sein, die Abgastemperatur zu schätzen, um Systemkosten, einschließlich Kosten für den Sensor und den Kabelbaum, zu senken. Weiterhin ist ein System, das einen physikalischen Sensor zum Messen von Abgastemperatur implementiert, zum Überwachen der Arbeitsweise des Sensors auf Fehler erforderlich, was das System noch komplexer macht.
  • Derzeitige algorithmische Modelle zum Ermitteln und Schätzen von Abgastemperatur umfassen nichtlineare Modelle, die erheblichen Rechenaufwand erfordern und den Durchsatz eines Fahrzeug-Steuermoduls beeinträchtigen. Weiterhin sind empirische Modelle für ein herkömmliches Verbrennungssystem nicht ohne Weiteres für das Arbeiten mit Systemen ausgelegt, die Verbrennung mit Vorgemischladungszündung (PCI, kurz vom engl. Premix Charge Ignition) mit hohen AGR-Massenstromraten nutzen.
  • Daher besteht die Notwendigkeit der Schätzung einer Abgastemperatur für einen Verbrennungsmotor, welche das Vorstehende angeht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind ein Verfahren und ein Herstellungserzeugnis zum Schätzen einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors während des laufenden Betriebs des Motors vorgesehen. Dies umfasst das Ermitteln von Zustanden mehrerer Parameter einer Ansaug-Verbrennungsladung. Darauf beruhend wird eine Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung geschätzt, und beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung wird eine Abgastemperatur geschätzt. Beispielhafte Parameter der Verbrennungsladung umfassen Motordrehzahl, Massenstromrate, Kraftstoffzufuhr zum Motor und Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzung sowie rückgeführten Abgasanteil.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung gehen für den Fachmann bei Lesen und Verstehen der folgenden eingehenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen eine physikalische Form annehmen, wobei eine Ausführungsform derselben in den Begleitzeichnungen, die einen Teil derselben bilden, eingehend beschrieben und veranschaulicht ist. Hierbei zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen Motorsystems;
  • 2 eine graphische Darstellung eines erfindungsgemäßen algorithmischen Flussdiagramms;
  • 3–8 erfindungsgemäße graphische Datendarstellungen;
  • 9 eine graphische Darstellung eines erfindungsgemäßen neuronalen Netzes; und
  • 10–12 erfindungsgemäße graphische Datendarstellungen.
  • Eingehende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
  • Unter Bezugnahme nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung und nicht zum Zweck des Beschränkens derselben dient, stellt 1 einen Motor 10 und ein Motorsteuermodul (ECM, kurz vom engl. Engine Control Module) 5 dar, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde. Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, der zum Arbeiten in einer Kompressionszündungskonfiguration technisch realisiert wurde, wenngleich diese Erfindung nicht auf Konfigurationen von Kompressionszündungsmotoren beschränkt sein soll. In den Zylindern sind zwischen einem Motorkopf und Hubkolben, die an einer Kurbelwelle angebracht sind, Brennräume mit veränderlichem Hubvolumen ausgebildet. Die Komponenten eines Motorsystems umfassen eine Ansaugluft-Verdichtungsvorrichtung 40 mit einer Turbinenvorrichtung veränderlicher Geometrie (VGT, kurz vom engl. Variable Geometry Turbine) und einem Luftkompressor (COMP), einen Ladeluftkühler 42, ein Abgasrückführungs(AGR)-Ventil 32 und einen Kühler 52, einen Ansaugkrümmer 50 sowie ein Abgaskrümmer- und Hosenrohr 60 und ein Abgasnachbehandlungssystem 70, das z. B. einen Oxidationskatalysator und einen Dieselpartikelfilter umfasst. An dem Motor sind Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von physikalischen Eigenschaften und zum Erzeugen von Signalen angebaut, die mit Motor- und Umgebungsparametern korrelieren. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen vorzugsweise einen Umgebungsluft-Drucksensor 12, einen Umgebungs- oder Ansaugluft-Temperatursensor 14 und einen Luftmassenstromsensor 16, die alle einzeln oder als eine einzige integrierte Vorrichtung konfiguriert werden können; einen Ansaugkrümmer-Lufttemperatursensor 18 und einen Ansaugkrümmer-Drucksensor 20. Vorhanden sind ein VGT-Stellungssensor 28 und ein AGR-Ventil-Stellungssensor 30. Ein Motordrehzahlsensor 22 überwacht die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (RPM) des Motors. Ein Drucksensor 26 überwacht einen Druckabfall über dem Abgasnachbehandlungssystem 70, was vorzugsweise das Überwachen der Druckleistung der VGT der Ansaugluftverdichtungsvorrichtung 40 in die Abgasanlage umfasst. Jede der Erfassungsvorrichtungen ist mit dem ECM 5 signaltechnisch verbunden, um Signalinformationen zu liefern, die von dem ECM in Informationen umgewandelt werden, die für den Zustand des jeweiligen überwachten Parameters repräsentativ sind. Es versteht sich, dass diese Konfiguration veranschaulichend, nicht einschränkend ist, wobei sie umfasst, dass die verschiedenen Erfassungsvorrichtungen innerhalb von funktionell gleichwertigen Vorrichtungen und Algorithmen austauschbar sind und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Weiterhin kann die Ansaugluftverdichtungsvorrichtung 40 Turbolader- und Ladervorrichtungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung umfassen.
  • Die Sensoren dienen zum Liefern von Zuständen von Motor- und Systembetriebsparametern, die hierin wie folgt dargestellt sind:
    • M .a
    Frischluft-Massenstromsensor 16;
    Tim
    Ansaugkrümmer-Temperatursensor 18;
    Pim
    Ansaugkrümmer-Drucksensor 20;
    Tam
    Umgebungstemperatursensor 14;
    Pam
    Umgebungsdrucksensor 12;
    VGTp
    VGT-Stellungssensor 28;
    EGVp
    AGR-Ventil-Stellungssensor 30;
    RPM
    Motordrehzahlsensor 22; und
    ΔP
    Abgasnachbehandlungsdelta-Drucksensor 26.
  • Das ECM 5 ist ein Element eines umfassenden Fahrzeugsteuersystems, das vorzugsweise eine verteilte Steuermodularchitektur umfasst, die zum Vorsehen einer koordinierten Systemsteuerung dient. Das ECM dient zum Synthetisieren relevanter Informationen und Eingaben von den vorstehend erwähnten Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Algorithmen zum Steuern verschiedener Aktuatoren, um Steuerziele, einschließlich Parameter wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten, zu erreichen und Hardware einer Diagnose zu unterziehen und zu schützen. Das ECM 5 ist vorzugsweise ein digitaler Universalrechner, der im Allgemeinen umfasst: einen Mikroprozessor oder eine zentrale Recheneinheit, Speichermedien, die einen Festwertspeicher (ROM), einen Arbeitsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), d. h. einen Permanentspeicher, umfassen, Hochgeschwindigkeitstakt, Analog-zu-Digital(A/D)- und Digital-zu-Analog(D/A)-Schaltkreise sowie Eingangs-/Ausgangsschaltkreise und -vorrichtungen (I/O) und geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltkreise. Eine Reihe von Steueralgorithmen, die residente Programmbefehle und Kalibrierungen umfassen, sind in dem ROM gespeichert und werden ausgeführt, um die jeweiligen Funktionen vorzusehen. Algorithmen werden typischerweise während vorgegebener Schleifendurchläufe ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal pro Schleifendurchlauf ausgeführt wird. In den Permanentspeichervorrichtungen gespeicherte Algorithmen werden durch eine der zentralen Recheneinheiten ausgeführt und dienen zum Überwachen von Eingaben von den Erfassungsvorrichtungen und zum Ausführen von Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Arbeitens der jeweiligen Vorrichtung, wobei vorbestimmte Kalibrierungen verwendet werden. Schleifendurchläufe werden typischerweise bei regelmäßigen Intervallen ausgeführt, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Eintreten eines Vorfalls ausgeführt werden.
  • Unter Bezug nun auf 2 umfasst die Erfindung ein Verfahren 80, das in dem ECM 5 vorzugsweise als ein oder mehrere Algorithmen ausgeführt wird, zum Schätzen von Abgastemperatur in der Abgasanlage 60 des beispielhaften Motors 10, der hierin veranschaulicht und beschrieben wird. Die Abgastemperatur ist für Steuerungsschemata und Systeme von Interesse, die Temperaturen eines Abgaszufuhrstroms überwachen, der in das AGR-System stromaufwärts des Kühlers 52 eindringt, in die Ansaugluftverdichtungsvorrichtung 40 eindringt und in das Abgasnachbehandlungssystem 70 eindringt.
  • Bei Betrieb ermittelt das System Betriebszustände für verschiedene Motorparameter, die die Verbrennungsladung beeinflussen (Schritt 82), einschließlich Motordrehzahl (RPM), angeordnete Kraftstoffmasse (mg) pro Einspritzvorgang (Fcmd), Steuerzeiten für den Start der Kraftstoffeinspritzung (SOI), angeordneter oder geschätzter AGR-Strom, Steuerzeiten für das Einlassventilschließen (IVC) typischerweise in Form von Kurbelstellungen und Luftmassenstrom (M .a). Ein Ladungsmassenstrom M .c wird berechnet, der den Massenstrom der gesamten Ladung in den Motor umfasst (Schritt 84), wie nachstehend in Gleichung 6 gezeigt wird. Daraus kann ein Ansaugladungsmassenstrom von Sauerstoffgas (Ansaugen von o2 in % oder o .2mass ermittelt werden (Schritt 86), wie nachstehend in Gleichung 7 beschrieben wird. Ein Masseverhältnis von Kraftstoff/O2 (FO2R) wird ermittelt (Schritt 88), wie nachstehend durch Gleichung 3 beschrieben wird. Die Abgastemperatur Tex kann beruhend auf Zuständen der vorstehend erwähnten Parameter und der Ansaugtemperatur Tim ermittelt werden, wie in Gleichung 2 dargestellt ist: Tex = Tim + g(Fcmd, FO2R, EGR, SOI, RPM, IVC). [2]
  • Die Abgastemperatur Tex wird durch eines von mehreren Verfahren geschätzt, einschließlich Ausführen von Gleichungen, die aus der Temperatur von Ansauggasen abgeleitet werden, und nichtlinearen Regressionen von experimentell abgeleiteten parametrischen Zuständen, und alternativ durch Ausführen eines neuronalen Netzmodells (Schritt 90). Das Verfahren wird nun näher beschrieben.
  • Der hierin beschriebene Abgastemperatur-Schätzalgorithmus stützt sich auf Eingabezustände der Motorbetriebsparameter, die die Abgastemperatur beeinflussen und typischerweise unter Verwendung bestehender Sensoren und von Fahrzeug-Algorithmen zur Verfügung stehen. Anstiege von Verbrennungsgastemperaturen durch den Motor können auf dem Äquivalenzverhältnis φ von Kraftstoff/Luft, d. h. dem Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das bezüglich AGR-Verdünnung angepasst ist, und anderen Faktoren, die mit dem Ladungszündmodus (z. B. Vorgemischladungszündmodus) in Verbindung stehen, beruhen. In dieser Erfindung wird die Kraftstoffmasse in jedem Brennraum (als primärer Faktor der Freisetzung von Energie oder Wärme, die Abgastemperatur beeinflusst, ermittelt) aus dem Motorkraftstoffzufuhrbefehl Fcmd (z. B. Kraftstoffstrom/Einspritzhub, mg/str) für jede Verbrennungsladung berechnet. Unter Bezug nun auf 3 ist ein Graph vorgesehen, der eine typische Beziehung zwischen der Masse des während der Verbrennung verbrannten Kraftstoffs und dem Temperaturanstieg von einer Ansaugladung zu einer Abgasladung darstellt. Die Ergebnisse belegen, dass ein Anstieg des Motorkraftstoffzufuhrbefehls zu einem Anstieg eines Differentials zwischen Ansaugluft-Abgasluft-Temperatur (,Texh-Tin') und somit zu einem Anstieg der Abgastemperatur führt.
  • Unter Bezug nun auf 4 ist ein Graph vorgesehen, der eine typische Beziehung zwischen dem Masseverhältnis von Kraftstoff/O2 (FO2R) und einem Temperaturanstieg von einer Ansaugladung zu Abgas (,Texh-Tin') darstellt. Die Ergebnisse belegen, dass das Anheben des Kraftstoff-Massenstroms pro Ansaugladung-Massenstrom von Sauerstoff zu einem Ansteigen des Differentials zwischen Ansaugluft-Abgasluft-Temperatur (Texh-Tin) und somit zu einem Anstieg der Abgastemperatur führt. Somit steigen das Ansaugluft-Abgasluft-Temperaturdifferential (Texh-Tin) und folglich die Abgastemperatur bei einem Anstieg des Masseverhältnis von Kraftstoff/Sauerstoff (FO2R) beide an.
  • Das Masseverhältnis von Kraftstoff/O2 wird in Gleichung 3 festgelegt als:
    Figure 00100001
    wobei die Kraftstoff-Massenstromrate und der Ansaugladungsmassenstrom von Sauerstoff wie in Gleichung 4 und 5 dargestellt berechnet werden: f .mass = α·Fcmd·RPM; und [4] = 02%;int ake·M .c. [5]
  • Die Ladungsmassenstromrate wird unter Bezug auf Gleichung 6 festgelegt: M .c = M .a/1(1 – EGR); [6]wobei EGR (Synonym für AGR) ein Maß in Prozent von rückgeführten Abgasen umfasst, die bei einer vorgegebenen Ladung in den Motoreinlass strömen.
  • Somit wird der Ansaugladungs-Massenstrom von Sauerstoff wie in Gleichung 7 dargestellt ermittelt:
    Figure 00110001
    wobei a, b, c und d experimentell abgeleitete Konstanten sind und f .mass die Kraftstoff-Massenstromrate (gm/s) umfasst und ϕ das Äquivalenzverhältnis von Kraftstoff/Luft umfasst. Der Parameter λ, d. h. das normalisierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis, kann wie in Gleichung 8 angegeben ermittelt werden, wobei der Skalar 14,57 das stöchiometrische Sollverhältnis für den Kraftstoff darstellt:
    Figure 00110002
  • Ein anderer Faktor, der den Betrieb beeinflusst, umfasst die Massenstromrate von rückgeführtem Abgas (AGR bzw. EGR) als Prozentzahl der Verbrennungsladung. Wenn die AGR-Massenstromrate ansteigt, sinkt die Abgastemperatur aufgrund einer Zunahme der Masse von inertem Gas, das in die Brennräume eingelassen wird. Diese Wirkung wird unter Bezug auf 5 demonstriert, die ein Sinken eines Differentials zwischen Ansaugluft-Abgasluft-Temperatur (Texh-Tin) bei einem Anstieg der AGR-Rate oder Masse pro Ladung darstellt.
  • Ein anderer, den Betrieb beeinflussender Faktor umfasst die Steuerzeiten der Kraftstoffeinspritzung, die typischerweise durch zeitliches Steuern des Starts der Einspritzung (SOI) im Verhältnis zur Kolbenstellung gemessen bezüglich des oberen Totpunkts (OT) gesteuert wird. Das Verstellen der SOI-Zeiten auf spät verzögert bekanntermaßen die Verbrennungswärmefreisetzung, was in jedem Auspufftakt zu erhöhten Temperaturen führt. Diese Wirkung wird unter Bezug auf 6 demonstriert, die eine Abnahme eines Differentials zwischen Ansaugluft-Abgasluft-Temperatur (Texh-Tin) bei Verstellen der SOI-Steuerzeiten auf spät über einen Bereich von –5° OT bis +5° OT darstellt.
  • Ein anderer, den Betrieb beeinflussender Faktor umfasst die Motordrehzahl. Wenn die Motordrehzahl steigt, liegt ein Anstieg der Reibung zwischen jedem Kolben und Zylinderwand vor, was die Abgastemperaturen anhebt. Die Motordrehzahl beeinflusst die Wärmeübertragung von der Verbrennungsladung auf die Zylinderwand, umfasst aber einen niedrigeren Faktor, der hier zu modellieren ist. Der Abgasdruck hat eine geringfügige Wirkung auf die Abgastemperatur. Wenn aber ein variables Ventiltriebsystem verwendet wird, beeinflusst das Schließen des Einlassventils im Verhältnis zur Kolbenstellung (IVC) die Abgastemperatur, wobei die Abgastemperatur bei verzögertem Schließen des Einlassventils aufgrund niedrigerer Verdichtung des Ansauggases abnimmt.
  • Durch Umformulieren von Gleichung 2 wird ein Gesamtalgorithmus zum Schätzen der Abgastemperatur unter Verwenden der vorstehend beschriebenen Zustandsparameter wie in Gleichung 9 dargestellt vorgesehen: Tex = Tim + f(FO2R, Fcmd, EGR, SOI, RPM, IVC). [9]
  • Der Inhalt von Gleichung 9 kann wie in Gleichung 10 als nichtlineares Regressionsmodell der Abgastemperatur umformuliert werden:
    Figure 00130001
    wobei die Konstanten c1, c2, c3 und c4 durch eine Regressionsanalyse der kleinsten Quadrate der während Prototyp-Kalibrierungsaktivitäten erfassten Ist-Daten gefunden werden können. Der Faktor pl(Fcmd) umfasst ein Polynom des Kraftstoffzufuhrbefehls, ist typischerweise ein Polynom dritter Ordnung und kann als vorkalibriertes Feld modelliert werden. Unter Bezug nun auf 7 werden Ergebnisse der Ausführung eines Modells für einen beispielhaften Motor, das gemäß Gleichung 10 ausgeführt wurde, dargestellt, wobei Ist-Abgastemperaturen (gemessen) und geschätzte Abgastemperaturen über eine Reihe von Testbetriebspunkten, die während eines laufenden Motorbetriebs auftreten, verglichen wurden.
  • Alternativ kann der Algorithmus zum Schätzen von Abgastemperatur unter Verwenden der Betriebszustände für die vorstehend beschriebenen Motorparameter wie in Gleichung 11 umformuliert werden:
    Figure 00130002
    wobei die Konstanten c1 und c2 durch eine Regression der kleinsten Quadrate der während Prototyp-Kalibrierungsaktivitäten erfassten Ist-Daten abgeleitet werden können. Die Faktoren g1(rpm, EGR (AGR)) und g2 (rpm, SOI) umfassen vorbestimmte Kalibrierungen, die typischerweise als zweidimensionale Kalibrierungen, die in einem Permanentspeicher des Steuermoduls in Tabellenanordnung gespeichert sind, ausgeführt werden, wo bei der Faktor g1 beruhend auf Motordrehzahl und AGR-Masse und der Faktor g2 beruhend auf Motordrehzahl und dem Start der Einspritzsteuerzeiten ermittelt wird. Der Faktor p1(Fcmd) umfasst eine Polynomgleichung, die durch den Kraftstoffzufuhrbefehl gesteuert wird, ist typischerweise ein Polynom dritter Ordnung und kann als vorkalibriertes Feld modelliert werden. Die Funktion p2(VVT) umfasst eine Polynomgleichung, die durch Ermitteln von Wirkungen der Zeitsteuerung des Einlassventilschießens (IVC) auf die Abgastemperatur abgeleitet wird, die als vorkalibrierte Beziehung, die in dem Steuermodul in Tabellenanordnung ausgeführt ist, modelliert werden kann. Die Verwendung von vorkalibrierten Beziehungen, die in Feldern ausgeführt werden können, zum Ermitteln der Abgastemperatur verringert den Berechnungsaufwand in dem Steuermodul. Solche Lookup-Tabellen erfordern motorspezifische Prototyp-Kalibrierungsarbeiten, um präzise Informationen zu entwickeln. Unter Bezug nun auf 8 sind die Ergebnisse des Ausführens eines Modells gemäß Gleichung 11 dargestellt, wobei über einen Zeitraum Ist-Abgastemperaturen (gemessen) und geschätzte Abgastemperaturen über eine Reihe von Testbetriebspunkten für den beispielhaften Motor verglichen sind.
  • Alternativ kann ein neuronales Netz entwickelt und implementiert werden, um die Abgastemperatur zu schätzen. Unter Bezug nun auf 9 ist ein mehrschichtiges neuronales Netz (NN) dargestellt, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde. Neuronale Netze sind bekannte, algorithmisch ausgeführte Konstrukte und werden hierin nicht näher beschrieben. Die Eingaben in das NN umfassen die Motorparameterzustände von Motordrehzahl (RPM), AGR-Massenstrom, Kraftstoffbefehl Fcmd, das Masseverhältnis von Kraftstoff/O2 FO2R und die Einlassventil-Schließzeiten (IVC) und Kraftstoffeinspritzzeiten (SOI). Die erste Schicht des NN umfasst fünf Neuronen, und die zweite Schicht des NN weist drei Neuronen auf. Jedes der ersten Schicht von Neuronen umfasst Gewich tungsfaktoren L1w11–L1w55, eine Summierungsfunktion mit einer der erwartungsgemäßen Abweichungen b11–b15 und eine einer Tangens-Sigmoid-Funktion (tan-sig) N11–N15, die in 10 dargestellt sind. Jedes der Elemente der zweiten Schicht umfasst Gewichtungsfaktoren L2w11–L2w53, eine Summierungsfunktion, mit einer der erwartungsgemäßen Abweichungen b21–b23 und einer der Tangens-Sigmoid-Funktionen (tansig) N21–N23. Die Gewichtungen (w) und die erwartungsgemäßen Abweichungen (b) der Neuronen des NN werden durch bekannte Rückpropagierungsalgorithmen eingelernt, wobei die endgültige geschätzte Abgastemperatur wie in Gleichung 12 nachstehend beschrieben ermittelt wird: Tex = Tim + f2(L2W·f1(L1W·u + b1) + b2); [12]wobei die Gewichtungsfaktoren von L2W ein 3 × 5 großes Konstantenfeld umfassen, die Gewichtungsfaktoren von L1W ein 5 × 5 großes Konstantenfeld umfassen und die erwartungsgemäßen Abweichungen b1 = [b11, b12, b13, b14, b15] und b2 = [b21, b22, b23) sind.
  • Der Eingangsvektor u besteht aus Zuständen von zuvor hierin vorstehend beschriebenen Parametern und ist in Gleichung 13 wie folgt festgelegt: u = [FO2R Fcmd EGR SOI RPM IVC]T. [13]
  • Unter Bezug nun auf 11 und 12 werden Ergebnisse des NN, das zum Ermitteln von Abgastemperatur geschult wurde, für einen repräsentativen Motor dargestellt. Die Ergebnisse stellen Ist- und geschätzte Temperaturen während einer Übung zum Einlernen durch das NN-Modell sowie eine Validierung des NN-Modells über einem Temperaturbereich dar. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperaturschätzfunktion die Ist-Temperatur über einen großen Bereich von Temperaturen und Temperaturänderungen innerhalb eines Bereichs von +/– 4,5% für das beispielhafte System effektiv verfolgte.
  • Die Erfindung wurde unter besonderem Bezug auf die Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können Anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung offenkundig werden. Sie soll alle diese Abwandlungen und Abänderungen einschließen, sofern sie in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung umfasst ein Verfahren und einen Herstellungserzeugnis zum Schätzen einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors während eines laufenden Betriebs des Motors. Dies umfasst das Ermitteln von Zuständen von mehreren Parametern einer Verbrennungsladung. Darauf beruhend wird eine Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung geschätzt, und beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung wird eine Abgastemperatur geschätzt. Beispielhafte Parameter der Verbrennungsladung umfassen Motordrehzahl, Luftmassenstromrate, Kraftstoffzufuhr zum Motor und Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten sowie rückgeführten Abgasanteil.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Ermitteln einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors während des Betriebs des Motors, umfassend: Ermitteln von Zuständen mehrerer Parameter einer Verbrennungsladung; darauf beruhend Schätzen einer Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung und Schätzen der Abgastemperatur beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Parameter der Verbrennungsladung Motordrehzahl, Luftmassenstromrate, Kraftstoffzufuhr zum Motor und Kraftstoffeinspritzsteuerzeiten sowie rückgeführten Abgasanteil umfassen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin das zeitliche Steuern des Einlassventilschließens umfassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin eine Temperatur von Ansaugluft zu dem Motor umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung das Regressieren einer nichtlinearen Temperaturgleichung beruhend auf den Zuständen der Parameter der Verbrennungsladung umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung das Ausführen eines neuronalen Netzmodells beruhend auf den Zuständen der mehreren Parameter zum Ermitteln eines Temperaturanstiegs der Verbrennungsladung umfasst.
  7. Herstellungserzeugnis, welcher ein Speichermedium umfasst, das ein zum Ermitteln einer Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors dienendes maschinell ausführbares Programm enthält, wobei das Programm umfasst: Code zum Ermitteln von Zuständen von mehreren Parametern einer Verbrennungsladung während eines laufenden Betriebs des Motors; Code zum Schätzen einer Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung darauf beruhend und Code zum Schätzen der Abgastemperatur beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung.
  8. Erzeugnis nach Anspruch 7, wobei die Parameter der Verbrennungsladung Motordrehzahl, Luftmassenstromrate, Kraftstoffzufuhr zum Motor und Kraftstoffeinspritz-Steuerzeiten sowie rückgeführten Abgasanteil umfassen.
  9. Erzeugnis nach Anspruch 8, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin das zeitliche Steuern des Einlassventilschließens umfassen.
  10. Erzeugnis nach Anspruch 9, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin eine Temperatur von Ansaugluft zu dem Motor umfassen.
  11. Erzeugnis nach Anspruch 7, wobei der Code zum Schätzen der Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung einen Code umfasst, der zum Regressieren eines nicht-linearen Temperaturmoduls dient, das als Eingaben die Zustände der Parameter der Verbrennungsladung aufweist.
  12. Erzeugnis nach Anspruch 11, welcher weiterhin eine in Tabellenform gespeicherte vorbestimmte Kalibrierung zum Ermitteln eines Anstiegs der Verbrennungsladungstemperatur beruhend auf einem der parametrischen Zustände umfasst.
  13. Erzeugnis nach Anspruch 7, wobei der Code zum Schätzen der Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung einen Code umfasst, der ein dafür ausgelegtes ausführbares neuronales Netzmodell umfasst, einen Temperaturanstieg der Verbrennungsladung beruhend auf den Zuständen der Parameter zu ermitteln.
  14. Erzeugnis nach Anspruch 7, welcher weiterhin den darin kodierten maschinell ausführbaren Code zum Ermitteln der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors mindestens einmal pro Sekunde während des laufenden Betriebs umfasst.
  15. Erzeugnis nach Anspruch 7, wobei der Verbrennungsmotor einen Kompressionszündungsmotor umfasst.
  16. Verfahren zum Ermitteln einer momentanen Abgastemperatur eines Verbrennungsmotors mit Kompressionszündung, der für Abgasrückführung technisch realisiert ist und während des Betriebs des Motors in einem Modus der Vorgemisch-Verbrennungsladungszündung arbeitet, umfassend: Ermitteln von Zustanden von mehreren Parametern einer Verbrennungsladung; Schätzen einer Wärmefreisetzung der Verbrennungsladung beruhend auf den Zustanden der Parameter der Verbrennungsladung; und Schätzen der Abgastemperatur beruhend auf der geschätzten Wärmefreisetzung und der Ansauglufttemperatur zu dem Motor.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Parameter der Verbrennungsladung einen rückgeführten Abgasanteil umfassen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin das zeitliche Steuern des Einlassventilschließens umfassen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Parameter der Verbrennungsladung weiterhin Motordrehzahl, Luftmassenstromrate, Kraftstoffzufuhr zum Motor und Kraft stoffeinspritzsteuerzeiten sowie die Ansauglufttemperatur zu dem Motor umfassen.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, welches eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens umfasst.
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