DE19860762A1 - Verfahren zum Schutz von Endstufen vor Übertemperatur - Google Patents

Verfahren zum Schutz von Endstufen vor Übertemperatur

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Schutz von Endstufen vor Übertemperatur, bei dem die Temperatur wenigstens einer Komponente des Steuergerätes ermittelt wird und bei dem Maßnahmen zur Abkühlung und/oder Begrenzung des weiteren Temperaturanstiegs ergriffen werden, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei die Temperatur mittels eines Temperaturmodells ermittelt wird, das wenigstens die innere Verlustleistung der Steuergeräte-Komponente berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz eines elektronischen Steuergerätes bzw. den Schutz einzelner Komponenten des Steuergerätes vor zu hohen Temperaturen.
Stand der Technik
In bestimmten Betriebszuständen kann es bspw. bei der Ansteuerung von Drosselklappenstellern, Einspritzventilen und Zündspulen von Kraftfahrzeugen zu hohen thermischen Belastungen der zugehörigen Leistungsendstufen kommen, die bis zur Zerstörung führen kann.
Ein Schutz von Steuergerätekomponenten vor zu hohen Temperaturen ist aus der DE 43 29 919 bekannt. Nach dieser Schrift wird einer Überwachungseinheit innerhalb des Steuergerätes ein Signal über die Temperatur eines Chips zugeführt. Übersteigt diese einen vorgegebenen Grenzwert, wird bspw. eine Endstufe für ein Leistungsstellglied einer Brennkraftmaschine abgeschaltet oder es wird auf einen Notlaufmodus mit reduzierter Verlustleistung und damit reduzierter Wärmeerzeugung in der Endstufe umgeschaltet.
In diesem Umfeld betrifft die Erfindung die Erzeugung eines Signals über die Temperatur einer Steuergeräte-Komponente. Ziel ist eine Ermittlung der Komponententemperatur zur Vermeidung von Funktionsstörungen und Komponentenausfällen ohne speziellen Temperatursensor. Die Erfindung ist insbesondere für den Schutz von Endstufen zur Ansteuerung des Stellgliedes einer Drosselklappensteuerung, zur Ansteuerung von Zündspulen und/oder zur Ansteuerung von Einspritzventilen eines Verbrennungsmotors anwendbar.
Der Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Endstufentemperatur mittels eines Temperaturmodells zu ermitteln und rechtzeitig Gegenmaßnahmen einzuleiten, so daß es nicht zur Zerstörung oder Übertemperaturabschaltung der Endstufen kommt. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorteile entfaltet die Erfindung insbesondere bei Zündendstufen für Doppelzündung im Notlaufbetrieb von zylinderindividuellen Einzelzündspulen. Dort kann es bei hohen Drehzahlen zu hohen thermischen Belastungen kommen. Dies ist typischerweise der Fall, wenn zum Beispiel aufgrund eines defekten Phasengebers (fehlendes Zylinder 1-Signal) auf Doppelzündung geschaltet werden muß. Dabei werden Einzelzündspulen, die im Normalbetrieb nur alle 720° Kurbelwellenwinkel zünden, doppelt so häufig angesteuert, was eine entsprechende Belastung der Endstufen zur Folge hat. Die Erfindung kann hier vor Überlastung schützen, ohne eine starre Drehzahlgrenze im Notlauf vorzusehen.
Weiterhin vorteilhaft ist die Erfindung bei einem System mit einer elektrischen Verstellung der Drosselklappe (E-Gas- System). Dort ist die Endstufenbelastung im wesentlichen abhängig von der Ansteuerung der Drosselklappe. Die Drosselklappenbewegung wird mittels eines Potentiometers erfaßt. Abhängig von der modellierten Temperatur kann hier bedarfsweise eine Dynamikbegrenzung der Drosselklappenansteuerung eingeführt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf, die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeipiel in Form von Funktionsblöcken.
Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert einen Verbrennungsmotor mit Zündvorrichtungen 2, einer Einspritzventilanordnung 3, einer Drosselklappe 4 mit Drosselklappensteller 5 und Drosselklappenwinkelsensor 6 sowie Sensoren 7, 8, und 9 für verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie angesaugte Luftmasse ml, Drehzahl n und Motortemperatur Tmot. Diese Aufzählung ist nicht abschließend. Es können weitere Betriebsparameter berücksichtigt werden. Auch die dargestellten leistungsverbrauchenden Stellglieder 2, 3 und 5 stellen keine abschließende Aufzählung dar; weitere mögliche und in diesem Umfeld bekannte und verwendete Stellglieder bzw. Leistungsverbraucher sind bspw. Lambdasondenheizungen und elektrisch verstellbare Abgasrückführ- und Tankentlüftungsventileventile. Diese übrigen Stellglieder werden durch die Ziffer 10 repräsentiert. Die Ziffer 11 stellt ein Steuergerät mit einem Eingabeblock 11.1, einem Ausgabeblock 11.2 sowie einer Recheneinheit 11.3 und einem Speicher 11.4 dar. Die Recheneinheit vermittelt zwischen dem Eingabe- und dem Ausgabeblock unter Rückgriff auf Programme und Daten aus dem Speicher. Die verschiedenen von den Sensoren erfaßten Betriebsparameter werden dem Eingabeblock zugeführt. Der Ausgabeblock gibt Ansteuersignale an die Stellglieder aus. Ein optional vorhandener Lüfter 12 kann ebenfalls vom Steuergerät aus aktiviert werden.
Im wesentlichen wird die Temperatur eines Steuergerätes durch die innere Verlustleistung der Endstufen im Ausgabeblock, bspw. der Zündendstufen und der Einspritzendstufen bestimmt. Die Ansteuerzeiten der Endstufen sind bekannt. Beispiele sind die Einspritzzeiten der Einspritzventile sowie die Schließzeiten der Zündendstufen. Aus den Ansteuerzeiten wird erfindungsgemäß die aktuelle Verlustleistung der einzelnen Endstufen abgeschätzt. Daraus kann mit der Wärmekapazität und der Wärmeableitung des Steuergerätes die Temperaturerhöhung aufgrund der Endstufenleistung bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Dabei stellen die Ziffern 2.1 und 2.2 Funktionen dar, die durch Teile eines übergeordneten Motorsteuerungsprogramms realisiert sein können.
Im Block 2.1 erfolgt die Bildung der Ansteuersignale für eine Endstufe. Dazu werden dem Block 2.1 die Betriebsparameter BP (Last ml, Drehzahl, Temperaturen . . .) zugeführt. Als Ansteuersignal für eine Endstufe gibt Block 2.1 ein Signal TV heraus, das beispielsweise ein Tastverhältnis sein kann, mit dem der Schalter 2.3 geöffnet oder geschlossen wird.
Bei geschlossenem Schalter 2.3 fließt beispielsweise Stronm durch eine Zündspule zum Aufbau der Zündenergie oder die Schließphase entspricht einer Einspritzimpulsbreite zur Ansteuerung eines Einspritzventils oder einem Ansteuerimpuls zur schrittweisen Verstellung des Drosselklappenwinkels usw.. Schalter 2.3 repräsentiert damit eine Endstufe.
Das Steuersignal TV und die Betriebsparameter BP werden weiterhin dem Block 2.2 zugeführt, in dem ein Maß T für die Temperatur der Endstufe modellhaft gebildet wird. Die modellhafte Bildung ist möglich, da die elektrischen Parameter der Endstufe wie Versorgungsspannung und Innenwiderstand bekannt sind und bspw. im Speicher abgespeichert sein können. Aus den elektrischen Parametern und dem Signal TV, das den Stromfluß bestimmt, läßt sich die innere Verlustleistung und damit die Wärmefreisetzung in der Endstufe bestimmen. Daraus und mit empirisch bestimmbaren Daten über Wärmekapazität und Wärmetransport läßt sich die Temperatur abschätzen.
Die Steuergerätetemperatur ist auch abhängig von der Umgebungstemperatur am Einbauort. Die Umgebungstemperatur ist ableitbar aus der Ansauglufttemperatur bzw. aus der Motortemperatur und kann ergänzend bei der Modellierung der Temperatur berücksichtigt werden.
Eine weitere Einflußgröße stellt die Temperatur von Nachbarsteuergeräten dar, bspw. des Steuergerätes für ein Antiblockiersystem oder für weitere Zylindergruppen oder -bänke des Verbrennungsmotors. Die Temperatur der Nachbarsteuergeräte ist ebenfalls aus ihrer inneren Verlustleistung ableitbar. Die hierfür notwendigen Signale sind in den Steuergeräten vorhanden und können bspw. bei einer Kopplung der Steuergeräte über ein Bussystem in einem Steuergerät verarbeitet wetden.
Überschreitet die bestimmte Temperatur kritische Werte, werden Gegenmaßnahmen ergriffen.
Als Gegenmaßnahme bei zu hoher Temperatur wäre neben dem Einschalten der Lüftung auch eine Begrenzung der Ansteuerzeiten beispielsweise der Zündendstufen denkbar. Dazu kann das Signal T über eine unzulässig hohe Temperatur bei der Ansteuersignalbildung für die Endstufe berücksichtigt werden.
Als Gegenmaßnahme kann hier eine Begrenzung der Schließzeiten eingeführt werden, was z. B. durch eine Begrenzung der Maximaldrehzahl geschehen kann. Auch eine generelle Reduzierung der Ansteuerzeit, d. h. der Schließzeit bis zur Aussetzergrenze ist denkbar. Dabei kann das Erreichen der Aussetzergrenze über eine Überwachung der Aussetzererkennung detektiert werden.
Die Schließzeit ist die Zeit, in der die Zündspule mit Strom versorgt wird und in der die Zündenergie aufgebaut wird. Mit der Schließzeitverkürzung nimmt die Zündenergie ab. Reicht die Zündenergie nicht mehr zur Zündung aus, treten Verbrennungsausetzer auf, die von On-Board- Diagnosefunktionen erkannt werden. Bei erkannten Aussetzern kann dann die Schleißzeit wieder verlängert werden.
Bei einem System mit einer elektrischen Verstellung der Drosselklappe (E-Gas-System) ist die Endstufenbelastung im wesentlichen abhängig von der Ansteuerung der Drosselklappe. Die Drosselklappenbewegung wird mittels eines Potentiometers erfaßt.
Die Endstufe entspricht in ihrem Temperaturverhalten näherungsweise einem Tiefpaß erster Ordnung. Eingangssignal des Tiefpasses wäre die Änderung der Drosselklappenbewegung. Die Parameter des Tiefpasses, d. h. die Zeitkonstante und die Dämpfung, können abhängig von entsprechenden Betriebspunkten sein.
Für die E-Gas-Endstufe könnte so z. B. eine Dynamikbegrenzung der Drosselklappenansteuerung eingeführt werden.
Das Verfahren kann für interne und für, externe Endstufen zur Anwendung kommen. Dabei soll und kann nicht die exakte Endstufentemperatur ermittelt werden, sondern nur eine Worst-Case-Abschätzung erfolgen, damit rechtzeitig Gegenmaßnahmen gegen eine weitere Erwärmung der Endstufen eingeleitet werden können. Optional können noch die Ansauglufttemperatur, die Motortemperatur oder die Steuergerätetemperatur, sofern ein Sensor im Steuergerät vorhanden ist, mit berücksichtigt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schutz von Endstufen vor Übertemperatur, beidem ein Maß für die Temperatur wenigstens einer Komponente des Steuergerätes ermittelt wird und bei dem Maßnahmen zur Abkühlung und/oder Begrenzung des weiteren Temperaturanstiegs ergriffen werden, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Maßmittels eines Temperaturmodells ermittelt wird, das wenigstens die innere Verlustleistung der Steuergeräte-Komponente berücksichtigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf Leistungsendstufen zur Ansteuerung des Stellgliedes einer Drosselklappensteuerung, zur Ansteuerung von Zündspulen, zur Ansteuerung einer Lambdasondenheizung, zur Ansteuerung eines Abgasrückführventils bzw. Stellers, zur Ansteuerung eines Tankentlüftungsventils und/oder zur Ansteuerung von Einspritzventilen eines Verbrennungsmotors anwendbar.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Verlustleistung aus den Ansteuerzeiten der Endstufen abgeschätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend die Wärmekapazität und die Wärmeableitung des Steuergerätes berücksichtigt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend die Umgebungstemperatur am Einbauort des Steuergerätes und/oder das Signal eines mit dem Steuergerät thermisch gekoppelten Temperatursensors berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur aus der Ansauglufttemperatur und/oder aus der Motortemperatur und/oder aus der Temperatur von Nachbarsteuergeräten abgeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, daß bei einem Antrieb zur elektrischen Verstellung einer Drosselklappe die innere Verlustleistung alternativ oder ergänzend zur Abschätzung aus den Ansteuerzeiten aus den Änderungen der Drosselklappenstellung abgeschätzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Abhilfemaßnahme bei zu hoher Temperatur eine Endstufe für ein Leistungsstellglied einer Brennkraftmaschine abgeschaltet oder auf einen Notlaufmodus mit reduzierter Verlustleistung und damit reduzierter Wärmeerzeugung in der Endstufe umgeschaltet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der folgenden Maßnahmen ergriffen wird:
  • - Begrenzung der Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors
  • - Begrenzung der Ansteuerzeiten beispielsweise der Zündendstufen
  • - Einschalten eines Lüfters zur Erzeugung eines kühlenden Luftstroms
  • - Begrenzung der Drosselklappenverstellgeschwindigkeit.
  • - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduzierung der Ansteuerzeit, d. h. der Schließzeit bei Zündungsendstufen durchgeführt wird und bei dem der Verbrennungsmotor auf das Auftreten von Verbrennungsaussetzern überwacht wird und bei dem eine Reduzierung der Ansteuerzeit durch das Auftreten von Verbrennungsaussetzern begrenzt wird.
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