DE19913910A1

DE19913910A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur eines strömenden Gases

Info

Publication number: DE19913910A1
Application number: DE19913910A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang; James Kelsall
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: DE19913910C2

Abstract

Um die Gastemperatur in einem strömenden Gas zu bestimmen, in dem eine die Gaszusammensetzung erfassende Sonde (1) angeordnet ist, die auf einer höheren Soll-Temperatur betrieben wird, wird aus der Heizleistung, die bei der Einregelung der Soll-Temperatur der Sonde (1) eingestellt wird und der Gasgeschwindigkeit des strömenden Gases sowie der Soll-Temperatur der Sonde (1) die Gastemperatur ermittelt. Dadurch können separate Temperatursensoren entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur eines strömenden Gases, insbe sondere des Abgases einer Brennkraftmaschine, in dem eine die Gaszusammensetzung erfassende Sonde angeordnet ist, die auf einer erhöhten Temperatur betrieben wird.

Für Regelungs- und Steuerungsaufgaben ist es oftmals erfor derlich, neben der Gaszusammensetzung eines strömenden Gases auch dessen Temperatur zu kennen.

Um beispielsweise die Zusammensetzung des Abgases einer Brennkraftmaschine für eine Lambda-Regelung zu bestimmen, ist es bekannt, eine Lambda-Sonde im Abgas anzuordnen. Solche Lambdasonden sind beispielsweise aus "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Robert Bosch GmbH, 22. Auflage, VDI-Verlag, 1998, Seite 491-493 bekannt. Sie werden beispielsweise bei einer Temperatur von 650°C betrieben, wobei die Temperatur eingestellt aber auch eingeregelt werden kann.

Um die Gastemperatur zu bestimmen, muß zumeist ein separater Temperaturfühler im Gasstrom plaziert werden. Für die Abga stemperatur einer Brennkraftmaschine ist es auch bekannt, diese unter Berücksichtigung der Betriebsparameter der Brenn kraftmaschine und der Temperatur der Ansaugluft zu modellie ren. Zwar kann man bei solch modellbasierter Bestimmung der Gastemperatur auf einen separaten Temperaturfühler verzich ten, jedoch sind die Fehler dann relativ groß, sie können zwischen 50 und 100°C liegen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur anzugeben, das diese mit größerer Genauigkeit und unter Verzicht auf ei nen separaten Temperaturfühler zu bestimmen erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 defi nierte Erfindung gelöst.

In aller Regel ist die Temperatur der Sonde höher als die Ga stemperatur; deshalb wird erfindungsgemäß die Heizleistung, die nötig ist, um die Sonde auf die Soll-Temperatur, erfaßt und aus dieser Heizleistung sowie der Gasgeschwindigkeit und der Temperatur der Sonde die Gastemperatur ermittelt.

Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Heiz leistung, die erforderlich, um die über der Abgastemperatur liegende Temperatur der Sonde zu halten, unter anderem eine Funktion der Gasgeschwindigkeit, der Gastemperatur und der Temperatur der Sonde sowie ggf. der Außentemperatur ist. Dies hat seine physikalische Ursache in den für die Wärmebilanz der Sonde maßgeblichen Größen: Gasgeschwindigkeit, Wärmekapa zität und Temperatur des Gases, Wärmeverlust an die Umgebung, Temperatur der Sonde sowie Heizleistung des Heizelements.

Verwendet man nun die Heizleistung als Eingangsgröße in einer Berechnung, kann man die Gastemperatur aus der Heizleistung sowie der Temperatur der Sonde und der Gasgeschwindigkeit be stimmen. Ggf. müssen noch weitere Korrekturgrößen, insbeson dere die Wärmeabfuhr an die Umgebung durch Einbeziehung der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß insbesondere bei Brenn kraftmaschinen eine modellbasierte Berechnung der Abgastempe ratur, die aufwendig und fehlerhaft ist, entfallen kann und auch kein zusätzlicher Meßfühler benötigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftma schine, deren Abgastemperatur bestimmt werden soll und

Fig. 2 eine Kurvenschar, die die Gastemperatur als Funktion der Heizleistung der Sonde mit der Betriebstempera tur als Scharparameter zeigt.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine schematisch darge stellt, deren Abgastemperatur bestimmt werden soll.

Die Brennkraftmaschine 9 verfügt über einen Abgastrakt 8, in den Abgas in Richtung des Pfeiles 13 strömt. Im Abgastrakt 8 ist ein Katalysator 10 angeordnet, stromab dessen eine Sonde, beispielsweise eine Lambda-Sonde 1 liegt. Die Lambda-Sonde 1 weist ein Heizelement 3 auf, um sie auf eine Temperatur von 650°C bringen zu können. Die Lambda-Sonde 1 ist über nicht näher bezeichnete Leitungen mit einem Regler 2 verbunden, der die Soll-Temperatur einregelt. Weiter ist die Lambda-Sonde 1 über nicht näher bezeichnete Leitungen mit einem Betriebs steuergerät 4 für die Brennkraftmaschine 9 verbunden, so daß dieses die Meßwerte der Lambda-Sonde 1 auslesen kann. Die Brennkraftmaschine 9 hat einen Ansaugtrakt 11, in dem ein Luftmassenmesser 12 angeordnet ist, der über nicht näher be zeichnete Leitungen mit dem Betriebssteuergerät 4 verbunden ist. Das Betriebssteuergerät 4 hat Verbindung zu einem Tempe raturfühler 6, der die Umgebungstemperatur mißt.

An den Regler 2 ist eine Bestimmungseinheit 5 angeschlossen, die einen Kennfeldspeicher 7 aufweist. Diese Bestimmungsein heit 5 ist mit dem Betriebssteuergerät 4 über Datenleitungen verbunden. Natürlich können Betriebssteuergerät 4, Regler 2 und Bestimmungseinheit 5 auch in einer Einheit zusammenge führt sein.

Zum Betrieb der Brennkraftmaschine 9, insbesondere für die optimale Funktion des Katalysators 10, wird stromab des Kata lysators 10 mittels der Lambda-Sonde 1 die Gaszusammenset zung, d. h. die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfaßt. Es handelt sich in diesem Beispiel also um eine Lambda-geregelte Brennkraftmaschine mit einem 3-Wege-Katalysator im Abgastrakt 8. In anderen Ausführungformen der Erfindung können natürlich auch andere Sonden und andere Katalysatoren zum Einsatz kom men, beispielsweise kann eine NOx-Sonde im Abgastrakt 8 hin ter einem NOx-Speicherkatalysator angeordnet sein.

Die Lambda-Sonde 1 muß bei einer Soll-Temperatur gehalten werden, die über der Temperatur des Abgases liegt. Dazu ist sie mit einem Heizelement 3 versehen, das die Sonde 1 auf diese Temperatur beispielsweise 650°C heizt. Das Heizelement 3 ist mit einem Regler 2 verbunden, der die Ist-Temperatur der Sonde 1 erfaßt, beispielsweise über den elektrischen Wi derstand des Heizelementes 3. Der Regler 2 verwendet die Ist- Temperatur als Führungsgröße und regelt mit ihrer Hilfe das Heizelement 3 so, daß die Lambda-Sonde 1 die Soll-Temperatur hält. Natürlich kann in einer vereinfachten Form auch nur ei ne feste Heizleistung eingestellt werden.

Um die Temperatur des im Abgastrakt 8 in Richtung des Pfeils 13 strömenden Abgases zu bestimmen, ist kein weiterer Tempe ratursensor nötig. Statt dessen wird der Bestimmungseinheit 5 von Regler 2 die am Heizelement 3 eingestellte Heizleistung P mitgeteilt. Weiter erfährt die Bestimmungseinheit 5 vom Be triebssteuergerät 4 die Gasgeschwindigkeit im Abgastrakt 8. Das Betriebssteuergerät 4 berechnet die Gasgeschwindigkeit ausgehend von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 9, insbesondere der über den Luftmassenmesser 12 im Ansaug trakt 11 gemessenen Ansaugluftmasse. Da das Betriebssteuerge rät 4 die in der Brennkraftmaschine 9 verbrannte Kraftstoff menge und die Drehzahl weiß, kann es aus diesen bekannten Da ten die Gasgeschwindigkeit im Abgastrakt 9 bestimmen.

Die Bestimmungseinheit 5 bestimmt aus den ihr zugeführten Da ten, d. h. aus der Heizleistung P und der Gasgeschwindigkeit die Gastemperatur T und teilt sie dem Betriebssteuergerät 4 mit, das diese für weitere Regelaufgaben verwendet, auf die nicht näher eingegangen wird.

Zur Bestimmung der Gastemperatur T greift die Bestimmungsein heit 5 auf einen Kennfeldspeicher 7 zurück, in dem die Ga stemperatur T als Funktion der Gasgeschwindigkeit, der Heiz leistung P des Heizelements 3 sowie der Soll- oder der Ist- Temperatur der Lambda-Sonde 1 abgelegt ist.

Die Daten des Kennfeldspeichers 7 sind beispielhaft in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 2 ist auf der X-Achse die Heizleistung P und auf der Y-Achse die Gastemperatur T aufgetragen. Die Kurven 14 mit 16 zeigen den Zusammenhang zwischen Heizleistung P und Gastempe ratur T für verschiedene Soll-Temperaturen der Lambda-Sonde 1. Kurve 14 zeigt den Zusammenhang für 700°C, Kurve 15 für 650°C und Kurve 16 für 600°C. Die einzeln eingetragenen Da tenpunkte stellen Meßwerte dar, aus denen die Kurven 14, 15 bzw. 16 gewonnen wurden. Natürlich wird man in der Regel im Kennfeldspeicher 7 aus Speicherplatzgründen nicht eine konti nuierliche Kurve bzw. dicht verteilte Stützstellen hinterle gen, sondern notwendigerweise eine reduzierte Anzahl von Wer tepaaren, zwischen denen dann geeignet interpoliert wird.

Da neben der Wärmebilanz gegenüber dem im Abgastrakt strömen den Gas auch die Umgebungstemperatur für den Wärmeverlust der Lambda-Sonde 1 verantwortlich ist, berücksichtigt die Bestim mungseinheit 5 die aktuelle Umgebungstemperatur bei der Be stimmung der Gastemperatur T. Dazu erhält sie die Umgebung stemperatur vom Betriebssteuergerät 4 mitgeteilt, das sie mittels des Temperaturfühlers 6 mißt. Diese Korrektur kann entweder durch Berücksichtigung eines geeigneten Korrektur faktors erfolgen, oder der Kennfeldspeicher 7 kann die Umge bungstemperatur als weitere Variable enthalten.

Dieses beschriebene Vorgehen hat die Vorteile, daß keine zu sätzlichen Temperaturmeßkomponenten benötigt werden, sondern auf bereits ohnehin vorhandene Elemente zurückgegriffen wer den kann. Die Bestimmung der Gastemperatur T aus der Heizlei stung P ist darüber hinaus deutlich einfacher als das bisher verwendete Modell zur Berechnung der Abgastemperatur. Selbst wenn die Bestimmungseinheit 5 die Gastemperatur T nicht aus einem Kennfeldspeicher wie dem Kennfeldspeicher 7 entnimmt, sondern durch Gleichungen berechnet, was alternativ möglich ist, sind diese Berechnungen erheblich weniger aufwendig als die zur bisherigen Modellierung nötigen Kalkulationen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Gastemperatur eines strömen den Gases, insbesondere des Abgases einer Brennkraftmaschine (9), in dem eine die Gaszusammensetzung erfassende Sonde (1) angeordnet ist, die auf einer erhöhten Temperatur betrieben wird,
bei welchem Verfahren

a) die Temperatur der Sonde (1) und eine von einem Heizele ment (3) der Sonde (1) erzeugte Heizleistung (P) gemessen werden,
b) die Gasgeschwindigkeit des strömenden Gases ermittelt wird und
c) aus der Gasgeschwindigkeit und der Heizleistung (P) sowie der Temperatur der Sonde (1) ein Wert für die Gastemperatur (T) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) auf die erhöhte Temperatur geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Gastemperatur (T) in c) die Umge bungstemperatur berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gastemperatur (T) als Funktion der Gas geschwindigkeit und der Heizleistung (P) sowie der Temperatur der Sonde (1) aus einem Kennfeld (7) entnommen wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur eines strö menden Gases, insbesondere des Abgases einer Brennkraftma schine (9), in dem eine die Gaszusammensetzung erfassende Sonde (1) angeordnet ist, die auf einer erhöhten Temperatur betrieben wird, mit:

a) einer Steuerung (2) zum Einstellen der erhöhten Temperatur der Sonde (1), die ein Heizelement (3) der Sonde (1) ansteu ert und die Temperatur der Sonde (1) mißt,
b) einer Vorrichtung (4) zum Erfassen der Gasgeschwindigkeit und
c) einer Bestimmungseinheit (5), die mit dem Regler (2) und der Vorrichtung (4) verbunden ist und aus der Gasgeschwindig keit und der vom Heizelement (3) erzeugten Heizleistung (P) sowie der Temperatur der Sonde (1) die Gastemperatur (T) be stimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (2) die Temperatur der Sonde (1) auf eine Soll- Temperatur regelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die Bestimmungseinheit (5) mit einer Vorrichtung (6) zum Ermitteln der Umgebungstemperatur verbunden ist und die Umgebungstemperatur bei der Bestimmung der Gastemperatur (T) berücksichtigt.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Vorrichtungsansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungseinheit (5) einen Kennfeldspeicher (7) aufweist, in dem die Gastemperatur (T) als Funktion mindestens der Gasgeschwindigkeit, der Heiz leistung (P) des Heizelements (3) sowie der Temperatur der Sonde (1) abgelegt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Vorrichtungsansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine Lambda- oder NOx-Sonde (1) im Abgastrakt (8) einer Brennkraftmaschine (9) ist.