DE19928561A1 - Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zur Steuerung von abgasrelevanten Funktionen mittels eines elektronischen Steuergeräts wird die aktuelle Rohrwandtemperatur des Abgasrohres mittels eines im Steuergerät abgespeicherten Kennfeldes, das durch einen an der Rohrwand angebrachten Temperatursensor empirisch erstellt wurde, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschätzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schätzung von Tempera­ turgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 43 674 A1 be­ kannt. Hierbei wird die Katalysatortemperatur bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine geschätzt. Die im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingebrachte (Ist-)Wärmemenge wird abhängig von der Katalysatortemperatur und der durchgesetzten Luftmasse errechnet. Wenn die Ist-Wärmemenge gleich oder kleiner als eine Bezugswärmemenge ist, wird die geschätzte Katalysator­ temperatur auf einen festen Wert gesetzt, für den gilt, daß sich noch Kon­ densat im Abgasrohr befindet. Die Bezugswärmemenge ist die Soll-Wärme­ menge, die erforderlich ist, um das Kondensat zu verdampfen. Diesem Ver­ fahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Katalysatortemperatur erst dann über einen bestimmten Wert ansteigt, wenn das Kondensat verdampft ist. Um die Katalysatortemperatur noch genauer zu bestimmen, wird abhän­ gig von Temperaturschwellen zwischen Warmstart und Kaltstart unterschie­ den. Wird Warmstart erkannt, wird die Bezugswärmemenge auf Null gesetzt. Anderenfalls wird die Bezugswärme auf einen einzigen festen für einen Kalt­ start gültigen Wert gesetzt. Zwischenstufen zwischen Warmstart und Kalt­ start werden nicht berücksichtigt. So kann beispielsweise ein "Kaltstart" er­ kannt werden und trotzdem kein Kondensat im Abgasrohr vorhanden sein (sog. "Taupunktende" bereits erreicht). Ebenso kann "Warmstart" erkannt werden, aber aufgrund eines vorherigen schnellen Startabbruchs kann noch Kondensat vorhanden sein ("Taupunktende" noch nicht erreicht).
Weiterhin ist bereits ein Verfahren zur einfachen Schätzung der Abgastem­ peratur im Zusammenhang mit empirisch ermittelten und abgespeicherten Kennfeldern und in Abhängigkeit von momentan ermittelten Betriebspara­ metern eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die so geschätzte Abgastemperatur ist als Grundlage für die Steuerung abgasrelevanter Funktionen, wie z. B. der Beheizung der Lambda-Sonden oder der Steuerung von Katalysator­ funktionen, zu ungenau.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren eingangs genannter Art derart zu verbessern, daß eine genauere Ermittlung von Temperaturgrößen für ab­ gasrelevante Funktionen ohne Einsatz von zusätzlichen Sensoren ermög­ licht wird. Insbesondere soll das Taupunktende im Abgasrohr mit möglichst hoher Sicherheit erkannt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei dem Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zur Steuerung von abgasrelevanten Funktionen mittels eines elektronischen Steuergeräts wird die aktuelle Rohrwandtempe­ ratur des Abgasrohres mittels mindestens eines im Steuergerät abgespei­ cherten Kennfeldes abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschätzt. Das Kennfeld wird wie üblich vor der Produk­ tionsphase eines Kraftfahrzeuges in der Entwicklungs- und Abstimmungs­ phase durch einen an der Rohrwand angebrachten Temperatursensor für definierte Betriebspunkte abhängig von mindestens einem Betriebsparame­ ter empirisch erstellt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die aktuelle Rohrwandtemperatur zumindest bei einer Betriebspunktänderung zusätzlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwar­ tenden stationären Rohrwandtemperatur und der in einem vorhergehenden Rechenschritt geschätzten Rohrwandtemperatur geschätzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abgas­ temperatur zumindest bei einer Betriebspunktänderung in Abhängigkeit von der geschätzten Rohrwandtemperatur geschätzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abgas­ temperatur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Rohrwandtemperatur und der in einem vorhergehenden Rechenschritt geschätzten aktuellen Rohrwandtemperatur geschätzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abgas­ temperatur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Abgastemperatur und der in einem vorhergehenden Rechenschritt geschätzten aktuellen Abgas­ temperatur geschätzt.
Vorzugsweise wird die Abgastemperatur (TAbgas) und/oder die Rohrwandtem­ peratur (TRohr) in Abhängigkeit von einem Faktor (Temperaturniveau), der die Temperaturträgheit der Massen bei einer Betriebspunktänderung berück­ sichtigt, geschätzt. Dieser Faktor (Temperaturniveau) in Form einer Zeitkon­ stante kann beispielsweise abhängig von der Öltemperatur des Brennkraft­ maschinenöls, im speziellen abhängig von der Differenz der für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Öltemperatur und der gemesse­ nen Ist-Öltemperatur, berechnet werden.
Mittels der geschätzten Abgastemperatur und der geschätzten Rohrwand­ temperatur des Abgasrohres kann beispielsweise für abgasrelevante Funk­ tionen eine sehr genaue Ist-Wärmemenge in Verbindung mit dem Integral über der Luftmasse berechnet werden.
Bekannt ist bereits eine einfache Schätzung der Abgastemperatur und eine Ermittlung der in das Abgasrohr eingebrachten Ist-Wärmemenge ausschließ­ lich abhängig von der Abgastemperatur in Verbindung mit der Luftmasse. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, daß die Rohrwandtem­ peratur des Abgasrohres auf die Abgastemperatur und damit auf die Wär­ memenge einen entscheidenden Einfluß ausübt.
Die (Ist-)Wärmemenge wird beispielsweise mittels ff. Formel berechnet:
Qist = ∫mL × |TAbgas - TRohr| × dt,
wobei mL die gemessene Luftmasse durch den Ansaugtrakt, TAbgas die ge­ schätzte Abgastemperatur und TRohr die geschätzte Rohrwandtemperatur sind.
Hierdurch wird trotz Einsparung von Temperatursensoren eine sehr wirklich­ keitsgetreue Bestimmung der Ist-Wärmemenge ermöglicht.
Zum Erkennen des Taupunktendes, z. B. für die Steuerung der Heizung ei­ ner Lambda-Sonde, wird die Ist-Wärmemenge vorzugsweise mit einer Soll- Wärmemenge, die zum Verdampfen des Kondensats im Abgasrohr notwen­ dig ist, verglichen.
Die Soll-Wärmemenge entspricht einem Energieeintrag in das Abgasrohr, der notwendig ist, um die Temperatur am Taupunktende zu überschreiten. Dieser Energieeintrag ist insbesondere vom Abgasstrom bzw. von der Luft­ masse durch den Ansaugtrakt und von der Abgastemperatur abhängig.
Die Soll-Wärmemenge, z. B. als Grundwert bei einem Start der Brennkraft­ maschine nachdem die Brennkraftmaschine zuvor bei trockenem Abgasrohr abgestellt wurde, wird beispielsweise aus einer im Steuergerät abgespei­ cherten Tabelle abhängig von der Kühlwassertemperatur oder Öltemperatur der Brennkraftmaschine und von der Umgebungstemperatur bestimmt.
Wenn die Ist-Wärmemenge zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftma­ schine kleiner als die Soll-Wärmemenge war und somit das Kondensat noch nicht verdampft war, erhöht sich erfindungsgemäß beim Neustart der Brenn­ kraftmaschine die Soll-Wärmemenge um eine Korrektur-Wärmemenge. Diese Korrektur-Wärmemenge wird derart bestimmt, daß sie etwa der Wär­ memenge entspricht, die zum Verdampfen des zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine im Abgasrohr noch vorhandenen Kondensats not­ wendig wäre. Ein Maß der hierzu erforderlichen Korrektur-Wärmemenge ist beispielsweise das Integral über der bis dahin eingebrachten Luftmasse. Vorzugsweise wird dieses Integral unter Berücksichtigung der Abgastempe­ ratur und/oder der Rohrwandtemperatur und/oder eines Wichtungsfaktors verwendet. Mittels des Wichtungsfaktors wird berücksichtigt, daß das in das Abgasrohr eingebrachte Kondensat zum Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraftmaschine bereits teilweise wieder verdampft sein kann.
Das Taupunktende ist somit beim nächsten Start erst erreicht, wenn die Ist- Wärmemenge die neu bestimmte Soll-Wärmemenge überschreitet, die sich aus der Addition der vorherigen Soll-Wärmemenge (z. B. Grundwert) mit der Korrektur-Wärmemenge, die vom Zeitpunkt des Abstellens der Brennkraft­ maschine abhängt, ergibt. Hierdurch ist eine sehr genaue Bestimmung des Taupunktendes möglich, die insbesondere für das Einschalten bzw. für die Steuerung der elektrischen Leistung der Lambda-Sonden-Heizung im Ab­ gasrohr notwendig ist; denn die Lambda-Sonden dürfen nur dann über eine kritische Temperatur beheizt werden, wenn sich kein Kondensat im Abgas­ rohr befindet. Anderenfalls besteht die sog. "Wasserschlaggefahr", die zur Zerstörung der sensitiven Lambda-Sonden-Keramik führen kann.
Vorzugsweise wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine nach Er­ reichen des Taupunktendes die Lambda-Sonden-Heizung zum Bauteilschutz immer dann ausgeschaltet bzw. mit reduzierter Leistung betrieben, wenn die Rohrwandtemperatur die Temperatur, die dem Taupunktende zugeordnet ist (ca. 60°C) unterschreitet. Dieser Fall kann beispielsweise im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine auftreten.
Die Soll-Wärmemenge, insbesondere in Form des Grundwertes, wird vorteil­ hafterweise abhängig von der Rohrwandtemperatur vorgegeben, wenn der Zeitraum zwischen einem Abstellen und einem Neustart der Brennkraftma­ schine kleiner als eine vorgegebene Schwelle (z. B. 20 min) ist. Hierzu wird beispielsweise in der vorher erwähnten Tabelle anstelle der Umge­ bungstemperatur die Rohrwandtemperatur eingesetzt. Denn bei nur kurzzei­ tig abgestellter Brennkraftmaschine hat die Rohrwand noch nicht die Umge­ bungstemperatur angenommen. Deshalb ist für das Erreichen des Tau­ punktendes die Rohrwandtemperatur und nicht die Umgebungstemperatur ausschlaggebend.
Die Abgastemperatur-, die Rohrwandtemperatur- und die Wärmemengenbe­ rechnungen finden vorzugsweise nach jedem Start der Brennkraftmaschine vor, in und/oder nach dem Katalysator sowie ggf. pro Zylinderbank statt.
Mit dieser genauen Bestimmung der Rohrwandtemperatur, der Abgastempe­ ratur und der im Abgasrohr eingebrachten Wärmemenge können außer dem wirksamen Schutz der Lambda-Sonden weitere Bauteile und Sensoren (z. B. NOx-Sensoren) sowie eine Vielzahl weiterer, insbesondere abgasrelevanter Brennkraftmaschinen-Funktionen, wie z. B. die Katalysatordiagnose oder der Katalysatorschutz, durchgeführt werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines möglichen Verlaufs der ge­ schätzten Rohrwandtemperatur bei einer Betriebspunktänderung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines möglichen Verlaufs der ge­ schätzten Abgastemperatur bei einer Betriebspunktänderung.
Auf den Abszissen der Fig. 1 und 2 ist die Zeit t und auf den Ordinaten sind die Temperaturen aufgetragen. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematisch mögliche Verläufe der Rohrwandtemperatur TRohr und der Abgastemperatur TAbgas bei einer Betriebspunktänderung hin zu einer erhöhten Leistungsanfor­ derung an die Brennkraftmaschine, z. B. im Zusammenhang mit einem Last­ sprung bzw. mit einem Durchtretendes Gaspedals.
Beispiele für Formeln zur erfindungsgemäßen Schätzung der Rohrwandtem­ peratur TRohr und der Abgastemperatur TAbgas:
TRohr(n) = (TRohr(n-1) + (TRohr(neu) - TRohr(n-1)) × KRohr × Temperaturniveau
TAbgas(n) = TAbgas(n-1) + (TAbgas(neu) - Abgas(n-1) ) × KAbgas × Temperaturniveau × Temperaturgradient
mit
und z. B.
(für die Schätzung von TAbgas)
und/oder
(für die Schätzung von TAbgas und/oder TRohr)
wobei
  • - TAbgas(n) die aktuelle bzw. zum Zeitpunkt t(n) aktuell zu schätzende Ab­ gastemperatur,
  • - TRohr(n) die aktuelle bzw. zum Zeitpunkt t(n) aktuell zu schätzende Rohr­ wandtemperatur,
  • - TRohr(n-1) die in einem vorhergehenden Rechenschritt geschätzte Rohr­ wandtemperatur
  • - TAbgas(n-1) die in einem vorhergehenden Rechenschritt geschätzte Abgas­ temperatur
  • - TRohr(neu) die für den neuen Betriebspunkt zu erwartende stationäre Rohr­ wandtemperatur
  • - TAbgas(neu) die für den neuen Betriebspunkt zu erwartende stationäre Ab­ gastemperatur
  • - KAbgas und KRohr aus einem Kennfeld oder einer Kennlinie entnommene Mittelungskonstanten abhängig von Betriebsparametern der Brennkraft­ maschine
  • - TÖl(neu) die für den neuen Betriebspunkt zu erwartende stationäre Öltempe­ ratur und
  • - TÖl(ist) die gemessene Ist-Öltemperatur
sind (vgl. hierzu auch
Fig.
1 und
Fig.
2).
Die Mittelungskonstanten KAbgas und KRohr entsprechen veränderlichen Zeit­ konstanten abhängig von der Dynamik der Brennkraftmaschine. Sie werden z. B. abhängig von veränderlichen Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine, wie z. B. der Last und der Drehzahl, aus einem Kennfeld entnom­ men. Oder sie werden auf einfachere Weise aus einer Kennlinie abhängig von der Temperatur Tx(neu) entnommen, wobei x für den Index Abgas oder Rohr steht.
Durch diese Formeln findet demnach insbesondere bei Betriebspunktände­ rungen im Rahmen der Temperaturschätzungen eine dynamische Nachfüh­ rung von Vorsteuerwerten statt. Die Vorsteuerwerte entsprechen den für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Temperaturwerten TRohr(neu) und TAbgas(neu). Diese Vorsteuerwerte (TRohr(neu) und TAbgas(neu)) werden vorzugs­ weise mittels vorher empirisch ermittelter und im Steuergerät abgespeicher­ ter Grundkennfelder zumindest abhängig von der Luftmasse im Ansaugtrakt und von der Drehzahl der Brennkraftmaschine geschätzt.
In einer Weiterbildung wird die Rohrwandtemperatur und/oder die Abgas­ temperatur im Betrieb anschließend noch abhängig von weiteren Betriebspa­ rametern, wie z. B. dem Zündwinkel, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Um­ gebungstemperatur, der Lambda-Soll-Ist-Abweichung und/oder der Öltempe­ ratur, korrigiert. Alle Betriebsparameter können mit ohnehin für andere Brennkraftmaschinenfunktionen vorhandenen Sensoren erfaßt werden. Bei dieser Methode zur Bestimmung der Rohrwandtemperatur und der Abgas­ temperatur sind lediglich im Entwicklungsstadium im Rahmen der sog. Ab­ stimmung Temperatur-Sensoren erforderlich, nicht jedoch im Serieneinsatz.

Claims (6)

1. Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine zur Steuerung von abgasrelevanten Funktionen mittels eines elektronischen Steuergeräts, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Rohrwandtemperatur (TRohr; TRohr(n) des Abgasrohres mittels eines im Steuergerät abgespeicherten Kennfeldes, das durch ei­ nen an der Rohrwand angebrachten Temperatursensor empirisch er­ stellt wurde, abhängig von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geschätzt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Rohrwandtemperatur (TRohr(n)) zumindest bei einer Betriebs­ punktänderung zusätzlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwi­ schen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Rohrwandtemperatur (TRohr(neu)) und der in einem vorhergehenden Re­ chenschritt geschätzten Rohrwandtemperatur (TRohr(n-1)) geschätzt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur (TAbgas; TAbgas(n)) zumindest bei einer Betriebs­ punktänderung in Abhängigkeit von der geschätzten Rohrwandtempe­ ratur (TRohr) geschätzt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Abgastemperatur (TAbgas; TAbgas(n) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Rohrwandtemperatur (TRohr(neu)) und der in ei­ nem vorhergehenden Rechenschritt geschätzten Rohrwandtemperatur (TRohr(n-1)) geschätzt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur (TAbgas) in Abhängigkeit von der Temperatur­ differenz zwischen einer für den neuen Betriebspunkt zu erwartenden stationären Abgastemperatur (TAbgas(neu)) und der in einem vorhergehen­ den Rechenschritt geschätzten Abgastemperatur (TAbgas(n-1)) geschätzt wird.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgastemperatur (TAbgas) und/oder die Rohrwand­ temperatur (TRohr) zumindest bei einer Betriebspunktänderung in Ab­ hängigkeit von einem Faktor (Temperaturniveau), der die Temperatur­ trägheit der Massen bei einer Betriebspunktänderung berücksichtigt, geschätzt wird.
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