DE19928561C2 - Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang einer BrennkraftmaschineInfo
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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 Lamda-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 Durchtreten des 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) - TAbgas(n-1)) × KAbgas × Temperaturniveau × Temperaturgradient
mit
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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