DE19961118A1 - Verfahren zum Bestimmen der Motoröltemperatur in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Motoröltemperatur (TOIL) wird mittels einer Modellbildung ermittelt, wobei als Eingangsgrößen des Modells mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisierender Parameter (TCO, N, MAF), mindestens ein die Umgebungsbedingungen der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftfahrzeuges repräsentierender Parameter (TIA, TAM, VS) herangezogen wird. Das Modell berücksichtigt dynamische Temperaturänderungen durch Temperaturgradienten aufgrund von Wärmeübergängen sowohl an Teilen der Brennkraftmaschine untereinander als auch zwischen der Brennkraftmaschine und der Umgebung der Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Motor­ öltemperatur in einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbeg­ riff des Patentanspruches 1.

Für bestimmte Funktionen in einer elektronischen Steuerungs­ einrichtung für Brennkraftmaschinen wird die aktuelle Tempe­ ratur des Motoröls benötigt. So kann beispielsweise das Über­ schreiten eines Schwellenwertes für die Motoröltemperatur als Freischaltebedingung für eine On-Board-Diagnose herangezogen werden. Außerdem kann die Motoröltemperatur als Kriterium zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine die­ nen. Darüber hinaus ist es möglich, die Motoröltemperatur zu einer Öllebensdauerberechnung zu nutzen, um den Zeitpunkt ei­ nes Ölwechsels festzulegen. Für diese Zwecke ist es bekannt, die Temperatur des Motoröls mittels eines Temperatursensors zu messen und das Signal dieses Temperatursensors entspre­ chend weiterzuverarbeiten.

Aus der DE 40 16 099 C2 ist es bekannt, zur Leerlaufeinstel­ lung im normalen Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine die Öltemperatur heranzuziehen. Um einen Öltemperatursensor ein­ zusparen, wird dabei die Öltemperatur aus anderen Größen be­ stimmt. Zu diesem Zweck wird die Zeitspanne ermittelt, wäh­ rend derer die Kühlmitteltemperatur gleich oder größer als ein Temperaturschwellenwert ist. Durch eine vorgegebene Be­ ziehung zwischen dieser Zeitspanne und der Öltemperatur wird ein Maß für die Öltemperatur bestimmt und die Leerlaufdreh­ zahl entsprechend eingestellt.

In der DE 44 33 299 A1 wird ein Verfahren zur Leerlaufein­ stellung einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei bei heißer Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl erhöht wird.

Dabei liegt eine heiße Brennkraftmaschine dann vor, wenn die Öltemperatur einen Schwellenwert überschreitet, bei dem der Öldruck zu niedrig werden kann. Das Überschreiten der Öltem­ peraturschwelle wird in Abhängigkeit der Motortemperatur, ge­ gebenenfalls der Ansauglufttemperatur, der Motordrehzahl so­ wie der Last der Brennkraftmaschine ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, mit dem unter Verzicht eines Motoröltemperatursen­ sors die Motoröltemperatur in einer Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht darin, die Mo­ toröltemperatur mit Hilfe von gemessenen oder berechneten Werten von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Temperatur der Kühlflüssigkeit, Temperatur der Ansaugluft, Drehzahl, Fahrgeschwindigkeit, Luftmassenstrom, Umgebungstem­ peratur, die zur Regelung und Steuerung der Brennkraftmaschi­ ne ohnehin benötigt werden, zu berechnen. Die Realisierung erfolgt über Temperaturgradienten der Erwärmung und Abküh­ lung, wobei sich die Temperaturgradienten bei Erreichen der stationären Endtemperatur aufheben. Das Berechnen der Motor­ öltemperatur basiert somit auf Wärmeübergänge zwischen den Medien Kühlflüssigkeit, Motoröl und Umgebungsluft.

Durch eine solche Nachbildung der Motoröltemperatur kann der relativ teure Öltemperatursensor entfallen.

Die einzelnen Wärmeübergänge werden in vorteilhafter Weise anhand von Kennfeldern ermittelt, die durch Versuche aufge­ nommen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi­ ne, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird und

Fig. 2 eine Blockdarstellung zur Bestimmung der Motoröltem­ peratur

In Fig. 1 ist sehr vereinfacht eine Brennkraftmaschine mit einer ihr zugeordneten Steuerungseinrichtung gezeigt, wobei nur diejenigen Teile dargestellt sind, die für das Verständ­ nis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf die Darstellung der Abgasnachbehandlungsanlage und des Kraft­ stoffkreislaufes verzichtet worden.

Der Brennkraftmaschine 1 wird über eine Ansaugleitung 2 die zur Verbrennung notwendige Luft zugeführt. Eine Einspritzan­ lage, die Kraftstoff in die Ansaugleitung 2 einspritzt, ist mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren ist aber auch bei einer Brennkraftmaschine mit Kraft­ stoff-Direkteinspritzung anwendbar, die beispielsweise eine Hochdruckspeichereinspritzanlage (Common Rail) mit Einspritz­ ventilen aufweist, welche den Kraftstoff direkt in die Zylin­ der der Brennkraftmaschine 1 einspritzen. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt über eine Abgasleitung 4 zu einer Abgasnachbehandlungsanlage und von dieser über einen Schall­ dämpfer ins Freie (nicht dargestellt).

Im Ansaugkanal 2 ist ein Lastsensor in Form eines Luftmassen­ messers 5 vorgesehen, der ein dem Luftmassenstrom entspre­ chendes Signal MAF abgibt. Alternativ hierzu kann als Last­ sensor für die Brennkraftmaschine 1 auch ein Drucksensor 6 verwendet werden, der den in der Ansaugleitung 2 herrschenden Druck (Saugrohrdruck) ps erfasst (in Fig. 1 in strichlinier­ ter Darstellung gezeigt).

Zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1 ist eine elektronische Steuerungseinrichtung 7 vorgesehen. Solche e­ lektronischen Steuerungseinrichtungen, die in der Regel einen Mikrocomputer beinhalten und neben der Zündungsregelung und der Kraftstoffeinspritzung eine Vielzahl weiterer Steuer- und Regelaufgaben übernehmen, sind an sich bekannt, so daß im folgenden nur auf den im Zusammenhang mit der Erfindung rele­ vanten Aufbau und dessen Funktion eingegangen wird. Der Steu­ erungseinrichtung 7 werden die Signale der verschiedensten Sensoren zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Insbesondere ist ein Drehzahlsensor 8 für die Drehzahl N, ein Sensor 9 für die Temperatur TCO der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1, ein Sensor 10 für die Temperatur TIA der Ansaugluft und ein Sensor 11 für die Geschwindigkeit VS des Fahrzeuges vor­ gesehen. Über eine nur schematisch dargestellte Daten- und Steuerleitung 12 ist die Steuerungseinrichtung 7 noch mit weiteren Sensoren und Aktoren der Brennkraftmaschine 1 ver­ bunden.

Der Steuerungseinrichtung 7 ist eine Speichereinrichtung 13 zugeordnet, in der verschiedene Kennfelder KF1 bis KF6 abge­ legt sind und deren Bedeutung später anhand der Beschreibung der Fig. 2 näher erläutert wird.

In Fig. 2 ist in Form eines Blockschaltbildes dargestellt, wie aus verschiedenen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wie Temperatur der Kühlflüssigkeit, Luftmassenstrom, Drehzahl und weiteren Parametern wie Fahrgeschwindigkeit, Temperatur­ werte für Ansaugluft und Umgebung, sowie Temperaturgradienten der Erwärmung bzw. Abkühlung die Motoröltemperatur bestimmt werden kann.

Unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 ist in der Steuerungseinrichtung 7 keine Information über den Wert der Motoröltemperatur TOIL vorhanden. Deshalb muß ein Initia­ lisierungswert für die Motoröltemperatur TOIL bestimmt wer­ den. Nach "Zündung EIN" (an Klemme 15 liegt die Betriebsspan­ nung des Fahrzeugs) befindet sich der Schaltkontakt einer Um­ schalteinrichtung US in der mit strichlinierter Darstellung gezeigten Stellung (Stellung I). Der beim Start der Brenn­ kraftmaschine 1 mittels des Sensors 9 gemessene Temperatur­ wert für die Kühlflüssigkeit TCO und der mittels des Sensors 10 gemessene Temperaturwert für die Ansauglufttemperatur TIA sind Eingangsgrößen eines Kennfeldes KF1. Abhängig von diesen Eingangsgrößen wird der Initialisierungswert für die Motoröl­ temperatur TOIL in °C aus dem Kennfeld KF1 ausgelesen und in der Speichereinrichtung 31 abgespeichert.

Nachdem die Initialisierung abgeschlossen ist, beginnt die routinemäßige Berechnung der aktuellen Motoröltemperatur TOIL(n) auf der Basis des vorhergehenden Wertes der Motoröl­ temperatur TOIL(n - 1). Der Schaltkontakt der Umschalteinrich­ tung US befindet sich dabei in der Schaltstellung II. Damit kann eine fortlaufende Aktualisierung des Wertes für die Mo­ toröltemperatur TOIL in zeitlich vorgegebenen Abständen, bei­ spielsweise in einem Sekundenraster erfolgen.

Der aktuelle Wert der Kühlflüssigkeitstemperatur TCO und der aktuelle Wert der Motoröltemperatur TOIL, - beim ersten Aufruf des Verfahrens gleich dem Initialisierungswert -, werden zu einer ersten Summationseinrichtung AD1 geführt. Dort wird die Differenz aus Kühlflüssigkeitstemperatur TCO und Motoröltem­ peratur TOIL gebildet. Diese Differenz TCO - TOIL ist Eingangs­ größe eines Kennfeldes KF2 in dem abhängig von der Differenz Werte in °K/sek für den Wärmeübergang der beiden Medien Mo­ toröl und Kühlflüssigkeit abgelegt sind. Da die Differenz po­ sitiv, negativ oder gleich Null sein kann, enthält das Kenn­ feld KF2 einen negativen und einen positiven Ast. Wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit TCO größer ist als die Tempe­ ratur des Motoröls TOIL, so ist der Gradient positiv und die Kühlflüssigkeit erwärmt das Motoröl. Liegt die Temperatur der Kühlflüssigkeit TCO unterhalb der Temperatur des Motoröls TOIL, so ist der Gradient negativ und das Motoröl erwärmt die Kühlflüssigkeit. Die Ausgangsgröße des Kennfeldes KF2 wird auf eine zweite Summationseinrichtung AD2 geführt.

Ein beispielsweise aus der Ansauglufttemperatur TIA berechne­ ter Wert für die Umgebungstemperatur TAM oder ein mittels ei­ nes Temperatursensors erfasster Wert für die Umgebungstempe­ ratur TAM und der aktuelle Wert für die Motoröltemperatur TOIL sind zu einer Summationseinrichtung AD3 geführt. Dort wird die Differenz aus Motoröltemperatur TOIL und Umgebungs­ temperatur TAM gebildet und diese dient ebenso wie der mit­ tels des Sensors 11 erfasste Wert für die Fahrgeschwindigkeit VS des Fahrzeugs als Eingangsgröße für ein Kennfeld KF3. Die­ ses Kennfeld KF3 charakterisiert den Wärmeübergang vom Motor­ öl zur Ölwanne des Fahrzeugs. Das Motoröl gibt abhängig von der Fahrgeschwindigkeit und der Temperaturdifferenz TOIL - TAM Wärme an die Ölwanne ab, so daß der Ausgangswert des Kennfel­ des KF3, ausgedrückt in °K/sek aufgrund der stattfindenden Abkühlung immer negativ ist. Der Ausgangswert des Kennfeldes KF3 wird ebenso wie der Ausgangswert de Kennfeldes KF2 der Summationseinrichtung AD2 zugeführt.

Die Drehzahl N der Brennkraftmaschine 1, die mittels des Drehzahlsensors 8 erfasst wird und der mittels des Luftmas­ senmessers 5 erfasste Luftmassenstrom MAF sind Eingangsgrößen eines weiteren Kennfeldes KF4. Der Luftmassenstrom MAF kann auch mittels eines bekannten Modells aus anderen Parametern der Brennkraftmaschine 1, z. B. aus dem Drosselklappenöff­ nungswinkel oder dem Druck in der Ansaugleitung 2 berechnet werden. Mit dem Kennfeld KF4 wird der lastpunktabhängige Tem­ peraturstrom in das Motoröl TOIL berücksichtigt, der sich aufgrund des Verbrennungsvorganges im Zylinder (Reibung und Verbrennungswärme über die Zylinderwände) einstellt. Als eine die Last der Brennkraftmaschine 1 charakterisierende Größe kann anstelle des Luftmassenstromes MAF auch der von dem Drucksensor 6 erfasste Saugrohrdruck ps als Eingangsgröße für das Kennfeld KF4 verwendet werden (gestrichelte Darstellung in der Fig. 2). Der Ausgangswert des Kennfeldes KF4, angege­ ben in °K/sek wird einer Multiplikationseinrichtung MU1 zuge­ führt.

Der aktuelle Wert der Motoröltemperatur TOIL ist ferner Ein­ gangsgröße eines Kennfeldes KF5, das den Zusammenhang zwi­ schen der Änderung der Wärmekapazität des Motoröls in Abhän­ gigkeit der Motoröltemperatur wiedergibt. Die Ausgangsgröße des Kennfeldes KF5, ein Faktor, der typischerweise in dem Be­ reich zwischen 0 und 8 liegt, wird ebenfalls zu der Multipli­ kationseinrichtung MU1 geführt.

Wird das Verfahren zur Bestimmen der Motoröltemperatur TOIL bei einer Brennkraftmaschine angewandt, bei der Kraftstoff unter hohem Druck direkt in die Zylinder eingespritzt wird (Hochdruck-Direkteinspritzung), so kann zusätzlich der Einfluß der Luftzahl λ berücksichtigt werden, wie es in der Fig. 2 mit strichlinierter Darstellung gezeigt ist. Hierzu ist ein Kennfeld KF6 vorgesehen, aus dem abhängig von dem ak­ tuellen Wert der Luftzahl λ, mit dem die Brennkraftmaschine gerade betrieben wird, ein Faktor ausgelesen wird, der typi­ scherweise im Bereich zwischen 1 (stöchiometrischer Betrieb mit λ = 1) und 2 liegt (geschichtet, homogener Magerbetrieb). Der ausgelesene Faktor wird ebenso wie der Ausgangswert des Kennfeldes KF4 der Multiplikationseinrichtung MU1 zugeführt. Dort wird der Ausgangswert des Kennfeldes KF3 mit den aus den Kennfeldern KF5 und KF6 ausgelesenen Faktoren multipliziert und das Ergebnis der Summationseinrichtung AD2 zugeführt. Von diesem Ergebnis werden in der Summationseinrichtung AD2 die aus den Kennfeldern KF2 und KF3 ausgelesenen Werte subtra­ hiert. Der auf diese Weise erhaltene Wert stellt einen Ände­ rungswert der Öltemperatur ΔTOIL dar, der in einer weiteren Summationseinrichtung AD4 zu dem im vorhergehenden Berech­ nungszyklus ermittelten Wert für die Motoröltemperatur TOIL(n - 1) addiert wird, so daß ein aktualisierter Wert für die Motoröltemperatur TOIL(n) zur Verfügung steht.

Die Kennfelder KF1-KF6 werden experimentell auf dem Prüfstand durch Versuche ermittelt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen der Motoröltemperatur (TOIL) in einer Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mittels einer Modellbildung, wobei als Eingangsgrößen des Modells

• - mindestens ein den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) charakterisierender Parameter (TCO, N, MAF),
• - mindestens ein die Umgebungsbedingungen der Brennkraftma­ schine und/oder des Kraftfahrzeuges repräsentierender Para­ meter (TIA, TAM, VS) herangezogen wird und bei der Modellbil­ dung
• - dynamische Temperaturänderungen durch Berücksichtigen von Temperaturgradienten aufgrund von Wärmeübergängen sowohl an Teilen der Brennkraftmaschine untereinander als auch zwi­ schen der Brennkraftmaschine und der Umgebung der Brenn­ kraftmaschine bei der Bestimmung der Motoröltemperatur (TOIL) eingerechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine charakterisieren­ der Parameter mindestens eine der Größen Temperatur der Kühlflüssigkeit (TCO), Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine (1), Luftmassenstrom (MAF), Saugrohrdruck (ps), Luftzahl (λ) herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als die Umgebungsbedingungen repräsentierender Parameter min­ destens eine der Größen Temperatur der Ansaugluft (TIA), Umgebungstemperatur (TAM), Fahrgeschwindigkeit (VS) heran­ gezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang zwischen dem Motoröl und der Kühl­ flüssigkeit berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang mittels eines Kennfeldes (KF2) abhängig von der Differenz zwischen der Temperatur der Kühlflüssigkeit (TCO) und der aktuellen Temperatur des Motoröls (TOIL) er­ mittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang zwischen dem Motoröl und der Ölwanne der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang mittels eines Kennfeldes (KF3) abhängig von der Differenz zwischen der aktuellen Temperatur des Motor­ öls (TOIL) und der Umgebungstemperatur (TAM) und der Fahr­ geschwindigkeit (VS) ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lastabhängige Temperaturstrom in das Motoröl berücksich­ tigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der lastabhängige Temperaturstrom in das Motoröl mittels eines Kennfeldes (KF4) abhängig von einem die Last der Brenn­ kraftmaschine repräsentierenden Parameter (MAF, ps) und der Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wärmekapazität des Motoröls mittels eines Kennfeldes (KF5) abhängig von der aktuellen Temperatur des Motoröls (TOIL) berücksichtigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Initialisierungswert für die Temperatur des Motor­ öls (TOIL) beim Start der Brennkraftmaschine mittels eines Kennfeldes (KF(1) abhängig von der Temperatur der Kühl­ flüssigkeit (TCO) und der Ansauglufttemperatur (TIA) er­ mittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder (KF-KF5) experimentell auf dem Prüfstand durch Versuche ermittelt werden.