DE4410225C2 - Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, welches die Bestimmung der Temperatur von Motorkomponenten vereinfacht, indem diese Temperatur aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors und des Fahrzeuges ermittelt wird. Hierzu sind die Beharrungstemperaturen der zu überwachenden Motorkomponente in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen in Kennfeldern gespeichert. Aus den Beharrungstemperaturen wird fortwährend mit Hilfe einer Übergangsfunktion die aktuelle Temperatur der zu überwachenden Motorkomponente ermittelt. In die Übergangsfunktion gehen variable Größen, Zeitkonstante und Totzeit ein, die ebenfalls in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen in Kennfeldern abgelegt sind. Die Beharrungstemperatur kann abhängig von weiteren Betriebsgrößen korrigiert werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten DE 42 34 420 A1 bekannt. Aus der US 4,658,829 ist ebenfalls ein Verfahren zur Motorsteuerung für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei die Motorsteuerung die zu erwartende Temperatur des Katalysators aufgrund von erfaßten Betriebsgrößen bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors die Bestimmung der Temperatur eines Abgasstromes zu verbessern.
Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Danach wird bei der Ermittlung der Temperatur des Abgasstromes aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors und des Fahrzeuges ferner die Temperatur der im Abgasstrom liegenden oder den Abgasstrom führenden Bauteile berücksichtigt. Diese Temperatur wird ebenfalls aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors abgeleitet. Die hiermit erreichte verbesserte Genauigkeit bei der Temperaturbestimmung erlaubt es der Motorsteuerung den Verbrennungsmotor noch länger im lamdageregelten Bereich zu betreiben und somit Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen weiter zu verringern.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß bei dynamischem Betrieb des Verbrennungsmotors die Temperatur der im Abgasstrom liegenden oder den Abgasstrom führenden Bauteile einen zusätzlichen Einfluß auf die Temperatur des Abgasstromes hat. Bei der Bestimmung der Temperaturen des Abgasstromes für die einzelnen Betriebspunkte im stationären Betrieb (beispielsweise bei der Erstellung der entsprechenden Kennfelde) stellt sich eine konstante Differenz zwischen der Temperatur des Abgasstromes und der Temperatur der Bauteile ein. Der nun bei der Berechnung der Abgastemperatur zusätzlich eingeführte Einflußfaktor berücksichtigt die Differenz zwischen der im stationären Betrieb erreichten und der vorhergehenden, im instationären Betrieb tatsächlich erreichten Temperatur des Bauteiles.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.
Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung mit einer Motorsteuerung und
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung der Temperatur eines Abgasstromes.
In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 eines Fahrzeuges gezeigt, der von einer elektronischen Motorsteuerung 2 gesteuert wird. Die Motorsteuerung 2 erhält über Zuleitungen 3 Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors 1 und des Fahrzeuges und erzeugt hieraus Steuergrößen, die über Steuerleitungen 4 an den Verbrennungsmotor 1 weitergegeben werden und diesen beeinflussen. Eine Abgasleitung 5 nimmt die Abgase des Verbrennungsmotors 1 auf. Die Abgasleitung 5 weist eine Lambda-Sonde 6 auf, die über eine Signalleitung 7 ein Signal an die Motorsteuerung 2 liefert. Die Abgasleitung 5 mündet in einen Katalysator 8, an den sich eine Abgasausleitung 9 anschließt.
Inder Motorsteuerung 2 ist, neben anderen, ein Funktionsblock 10 zur Bestimmung der Abgas-Eintrittstemperatur T(t) in den Katalysator 8 enthalten. Der Funktionsblock 10 erhält Daten 11 und liefert einen Temperaturwert 12.
Der Funktionsblock 10 ermittelt den Temperaturwert 12 nach dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm, das zwei parallele Zweige, nämlich einen ersten Zweig 24 zur Berechnung einer reinen Gastemperatur Tg(t) des Abgases und einen zweiten Zweig 25 zur Berechnung der Bauteiltemperatur Tb(t) der Bauteile aufweist, die im Abgasstrom vor dem Katalysator 8 liegen bzw. den Abgasstrom zum Katalysator 8 führen. In Schritt 26 werden die zuvor ermittelten Temperaturen zur Abgas-Eintrittstemperatur T(t) zusammengefügt und in Schritt 27 als Temperatur 12 ausgegeben.
Soweit bei der Ermittlung der Abgas-Eintrittstemperatur T(t) Kennlinien oder Kennfelder verwendet werden, so enthalten diese Daten, die zuvor beispielsweise in Prüfständen fahrzeug- und motorspezifisch ermittelt worden sind. Eine hier verwendete Lastgröße L wird im Ausführungsbeispiel als Quotient aus einer dem Verbrennungsmotor 1 je Zeiteinheit zugeführten Luftmasse mluft und einer Motordrehzahl Nmot berechnet. Es kann selbstverständlich jede andere die Last des Verbrennungsmotors 1 repräsentierende Größe wie insbesondere Drosselklappenwinkel, Einspritzzeit und Saugrohrunterdruck verwendet werden. Der Quotient aus einer Fahrgeschwindigkeit v und der Motordrehzahl Nmot repräsentiert die gerade gewählte Getriebeübersetzung; auch hier kann selbstverständlich jede andere äquivalente Größe verwendet werden.
In einem ersten Schritt 28 werden die Daten für eine Motordrehzahl Nmot, eine Lastgröße L, eine Ansauglufttemperatur TL, eine Fahrgeschwindigkeit v und eine, hier aus einer Klopfregelung des Verbrennungsmotors 1 rührende, Zündwinkelkorrekturgröße KR eingelesen.
Im ersten Zweig 24 wird dann in Schritt 29 wird dann abhängig von den Größen Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot aus einem ersten Kennfeld eine Totzeit m, in einem Schritt 30 aus einem zweiten Kennfeld eine Zeitkonstante Tau und in einem Schritt 31, ebenfalls aus einem Kennfeld, die Beharrungstemperatur des Abgases TBg bestimmt.
In Schritten 32 bis 34 wird die ermittelte Beharrungstemperatur TBg um Temperaturänderungen DT1 bis DT3 verändert, wobei in Schritt 33 eine Temperaturänderung DT1, abhängig von der Ansauglufttemperatur TL, in Schritt 34 die Temperaturänderung DT2, abhängig von dem Quotienten aus der Fahrgeschwindigkeit v und der Motordrehzahl Nmot, und schließlich in Schritt 35 die Temperaturänderung DT3, abhängig von der Zündwinkelkorrekturgröße KR, aus jeweils einer Kennlinie ermittelt wird.
In einem Schritt 35 wird schließlich nach der Gleichung
Tg(t) = Tg(t - Dt) + (TBg - Tg(t - Dt)) . (1 - exp[-Tau . Dt(m+1)]) (Gl. 1)
die reine Gastemperatur Tg(t) des Abgases berechnet. Hierbei sind Tau und m die in diesem Zweig 24 bestimmten Werte für die Totzeit m und die Zeitkonstante Tau für die reine Gastemperatur, Dt die Taktzeit zwischen zwei Durchläufen, TBg die in diesem Zweig 24 bestimmte und in den Schritten 32 bis 34 veränderte Beharrungstemperatur und Tg(t - Dt) der beim vorhergehenden Durchlauf ermittelte Wert für die reine Gastemperatur.
Die Schritte 36 bis 42 des zweiten Zweiges 25 entsprechen den Schritten 29 bis 35 des ersten Zweiges 24; in Schritt 35 wird nach der Gleichung
Tbt(t) = Tbt(t - Dt) + (TBb - Tg(t - Dt)) . (1 - exp[-Tau . Dt(m+1)]) (Gl. 2)
die Bauteiltemperatur Tb(t) berechnet. Hierbei sind Tau und m die in diesem Zweig 25 bestimmten Werte für die Totzeit m und die Zeitkonstante Tau für die Bauteiltemperatur, Dt die Taktzeit zwischen zwei Durchläufen, TBb die in diesem Zweig 25 bestimmte und in den Schritten 39 bis 41 veränderte Beharrungstemperatur und Tb(t - Dt) der beim vorhergehenden Durchlauf ermittelte Wert für die Bauteiltemperatur.
In Schritt 26 werden die Ergebnisse der beiden Zweige zusammengeführt
T(t) = Tg(t) - fak . [(TBb - Tb(t)] (Gl. 3)
und hieraus die korregierte Abgas-Eintrittstemperatur T(t) bestimmt, die dann in Schritt 27 als Temperatur 12 ausgegeben werden kann. fak ist hierbei ein Faktor zur Wichtung des nachfolgenden Termes mit einem Wert kleiner 1.
Der Term
(1 - exp[-Tau . Dt(m+1)]) (Gl. 4)
sowohl in Gl. 1 als auch in Gl. 2 kann durch den Term c(mluft) in Gl. 1 oder c1(mluft) in Gl. 2 erstetzt werden. c(mluft) und c1(mluft) sind allgemein Übergangs- oder Dämpfungsfunktionen, die beispielsweise die Form der im Hauptpatent angegebenen Exponentialgleichung haben können, und die abhängig von dem in der Motorsteuerung bereits erfaßten Luftmassendurchsatz mluft sind.
Den bisher beschriebenen Schritten vorgeschaltet sind Schritte 43 bis 45, die nur einmal nach dem Start des Fahrzeuges durchgeführt werden. Grund hierfür ist, daß beim ersten Durchlauf die Bestimmung der Abgas-Eintrittstemperatur T(t), für die aus der vorhergehenden Berechnung stammenden Werte der reinen Gastemperatur Tg(t - Dt) und der Bauteiltemperatur Tb(t - Dt) Startwerte erforderlich sind. Hierzu wird in Schritt 43 eine Motortemperatur tmot erfaßt und in Schritt 44 aus einem Kennfeld, abhängig von der Motortemperatur tmot, ein Wert für die vorherige Gastemperatur Tg(t - Dt). Dieses Kennfeld enthält empirisch gemittelt Werte der reinen Gastemperatur Tg in Abhängigkeit von der Motortemperatur tmot. Analog wird in Schritt 45 zur Bestimmung des Wertes der vorhergehenden Bauteiltemperatur Tb(t - Dt) verfahren.
Schließlich sind noch ergänzend Schritte 46 bis 49 gezeigt, mit denen in der Motorsteuerung 2 entschieden wird, ob der Verbrennungsmotor 1 im lambdageregelten Bereich oder mit Kraftstoffüberschuss betrieben wird. Hierzu wird in Schritt 46 geprüft, ob die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) größer als der Grenzwert von 850°C ist. Dieser Wert von 850°C ist durch die Temperaturbeständigkeit des Katalysators 8, vermindert um einen Sicherheitswert, bestimmt. Ist die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) kleiner als dieser Grenzwert, so wird in Schritt 47 der lambdageregelte Betrieb gewählt. Überschreitet die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) hingegen den Grenzwert, so wird in Schritt 48 in Abgas-Eintrittstemperatur T(t) auf diesen Grenzwert gesetzt und nachfolgend in Schritt 49 der Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit Kraftstoffüberschuss gewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt wie folgt:
Die Motorsteuerung 2 steuert eine nicht dargestellte Gemischaufbereitungseinrichtung über die Steuerleitungen 4 so, daß im allgemeinen das Gemisch eine möglichst stöchiometrische Zusammensetzung, entsprechend Lambda = 1, aufweist (lambdageregelter Bereich). Hierzu verwendet die Motorsteuerung 2 das von der Lambda-Sonde 6 über die Signalleitung 7 gelieferte Signal, das den Lambda-Wert des Gemisches repräsentiert. Je nach Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot des Verbrennungsmotors 1 stellt sich für stationären Betrieb eingangs des Katalysators 8 eine bestimmte Abgas-Eintrittstemperatur T(t) ein. In einem Bereich hoher Lastgröße L und hoher Motordrehzahl Nmot würde die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) in den Katalysator 850°C überschreiten, was eine Schädigung des Katalysators 8 zur Folge hätte. Daher wird die Motorsteuerung 2 in diesem Bereich den Verbrennungsmotor 1 mit Kraftstoffüberschuß so betreiben, daß die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) auf 850°C begrenzt ist.
Im instationären Bereich, d. h. bei einem Übergang von einem Betriebspunkt niederer Motordrehzahl Nmot und niederer Lastgröße L zu einem Betriebspunkt hoher Motordrehzahl Nmot und hoher Lastgröße L wird die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) vor dem Katalysator 8 nicht sofort ihre Beharrungstemperatur TBg im neuen Betriebspunkt annehmen, sondern wird sich abhängig von der Zeit an die neue Beharrungstemperatur TBg angleichen. Es ist daher nicht notwendig, sogleich nach dem Übergang in den Bereich hoher Lastgröße L die Abgas-Eintrittstemperatur durch Betrieb mit Kraftstoffüberschuß abzusenken.
Zu diesem Zweck ermittelt der Funktionsblock 10 in der oben dargestellten Weise fortlaufend den Temperaturwert 12 der Abgas-Eintrittstemperatur T(t) in den Katalysator 8 und gibt diesen an die Motorsteuerung 2 weiter. Die Motorsteuerung 2 kann nun den Verbrennungsmotor 1 so lange im lambdageregelten Bereich betreiben, bis der Temperaturwert 12 einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat (Schritt 46). Erst jetzt betreibt die Motorsteuerung 2 den Verbrennungsmotor 1 mit Kraftstoffüberschuß so, daß sich als Grenz-Abgas-Eintrittstemperatur ein Wert von 850°C einstellt. Nicht dargestellt ist, daß die Rückschaltung vom Betrieb mit Lambda < 1 zum Betrieb mit Lambda = 1 wird vorteilhafterweise hysteresebehaftet erfolgt, d. h., dieser ein zweiter Grenzwert für diese Rückschaltung wird unter dem ersten Grenzwert von 850°C liegen. Die durch die ersten Grenzwerte gebildete Grenzlinie ist, vereinfachend gesagt, die Verbindungslinie der Betriebspunkte, bei der die Abgas-Eintrittstemperatur T(t) in den Katalysator die kritische Temperatur von 850°C erreicht. Sie entspricht der Grenzlinie, bei der im stationären Betrieb vom lambdageregelten Betrieb auf den Betrieb mit Kraftstoffüberschuß umgeschaltet wird.
Bei der Ermittlung der Abgas-Eintrittstemperatur T(t) wird die im zweiten Zweig 24 ermittelte reine Gastemperatur Tg(t) mit Hilfe einer vom zweiten Zweig 25 gelieferten Bauteiltemperatur Tb(t) angepaßt. Hierzu wird die reine Gastemperatur Tg(t) um einen Term vermindet, der sich aus der Differenz der Beharrungstemperatur des Bauteiles (stationärer Zustand) und der errechneten und aktuellen Bauteiltemperatur Tb(t) gewichtet mit einem Faktor fak vermindert. Hierdurch wird die für im wesentlichen stationären Zustände ermittelte reine Gastemperatur Tg(t) an die Umgebungsverhältnisse in den abgasführenden Bauteilen, die durch die Bauteiltemperatur Tb(t) beschrieben sind, angepasst. Deshalb wird die Differenz zwischen der im stationären Zustand erreichten Beharrungstemperatur des Bauteiles und der aktuellen Temperatur des Bauteiles zur Korrektur herangezogen. Der Faktor fak, der einen Wert < 1 annehmen muß, stellt hierbei in grober Näherung den Wärmeübergang zwischen Bauteil und Abgasstrom 5 dar oder ist mit anderen Worten ein Ausdruck für den Einfluss des Bauteiles auf den Abgasstrom 5.
Da zur Berechnung der aktuellen Temperatur T(t) jeweils auch die zuvor ermittelten Temperaturwerte Tg(t - Dt) und Tb(t - Dt) benötigt werden, ist es unbedingt notwendig, daß diese Temperaturwerte fortlaufend in allen Betriebspunkten, also auch in Betriebspunkten wie Leerlauf oder Schub, ermittelt wird.
Über die bereits beschriebenen Schritte hinaus muß eine u. U. in der Motorsteuerung 2 vorgesehene Funktion zur Schubabschaltung berücksichtigt werden, da der Betrieb der Schubabschaltung nicht aus dem Betriebspunkt erkennbar ist. Für diesen Fall ist zwischen Schritt 15 und Schritt 16 eine Abfrage zu schalten, mit der der Zustand der Schubabschaltung geprüft wird. Bei ausgeschalteter Schubabschaltung wird bei Schritt 16 fortgefahren, während bei eingeschalteter Schubabschaltung die Beharrungstemperatur TB auf einen konstanten oder von der Ansauglufttemperatur TL bzw. der Fahrgeschwindigkeit v abhängiger Wert gesetzt und bei Schritt 22 fortgefahren wird.
Um bei fehlerhafter Temperaturermittlung eine Verschlechterung des Emissions- oder Verbrauchsverhaltens des Verbrennungsmotors 1 durch unnötigen Kraftstoffüberschuß zu vermeiden ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Motorsteuerung 1 nur dann auf den Betrieb mit Lambda < 1 umschaltet, wenn Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot oberhalb einer vorgegebenen Grenzlinie liegen. Als Sicherheitsfunktion für den Fall der Ermittlung eines deutlich zu kleinen Temperaturwertes kann es fernerhin vorgesehen sein, bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 oberhalb der Grenzlinie nach einer vom Betriebspunkt abhängigen Zeit auf den Betrieb mit Kraftstoffüberschuß umzuschalten, da mit Ablauf dieser Zeit in jedem Fall davon auszugehen ist, daß die Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 8 die Grenztemperatur erreicht hat.
Bei turboaufgeladenen Motoren ist es notwendig, neben den gezeigten Zweigen 24 und 25 einen weiteren, hier nicht gezeigten Zweig einzuführen, der in Schritt 26 in ähnlicher Weise wie der zweite Zweig 25 eingeht. Dieser dritte Zweig berücksichtig den Einfluß eines im Abgasstrom 5 liegenden Abgasturboladers, und hier insbesondere dessen Masse, dessen Temperatureinfluß durch den Druckabfall über die Turbine sowie die Wirkung eines parallel zum Abgasturbolader liegenden Bypasses.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuerung eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei dem Meßwerte erhalten, verarbeitet, in Steuerdaten für den Betrieb des Verbrennungsmotors (1) umgewandelt und über Steuerleitungen (4) an den Verbrennungsmotor (1) weiterleitet werden, wobei eine Abgas-Eintrittstemperatur (T(t)) in einen dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten Katalysator (8), berücksichtigt wird, und die Abgas-Eintrittstemperatur (T(t)) aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ableitung der Abgas-Eintrittstemperatur (T(t)) die Bauteiletemperatur (Tb(t)) der im Abgasstrom liegenden oder den Abgasstrom führenden Bauteile (5) berücksichtigt wird und diese Bauteiletemperatur (Tb(t)) ebenfalls aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine reine Gastemperatur (Tg(t)) und die Bauteiletemperaturen (Tb(t)) jeweils aus einer Temperatur (Tg(t - Dt), Tb(t - Dt)) eines vorangegangenen Betriebspunktes, der Beharrungstemperatur (TBg, TBb) eines aktuellen Betriebspunktes und einer Übergangsfunktion (c(mluft), c1(mluft)) hergeleitet wird, wobei die Beharrungstemperaturen (TBg, TBb) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt durch ein Kennfeld ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitkonstanten (Taug, Taub) der Übergangsfunktionen (c(mluft), c1(mluft)) jeweils aus einem zweiten Kennfeld in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitkonstanten (Taug, Taub) der Übergangsfunktionen (c(mluft), c1(mluft)) jeweils aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von einem Luftmassendurchsatz (mluft) des Verbrennungsmotors (1) ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Totzeiten (mg, mb) der Übergangsfunktionen jeweils aus einem ersten Kennfeld in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kennfeldern für die Beharrungstemperatur (TBg, TBb) enthaltenen Werte abhängig von weiteren Betriebsgrößen des Fahrzeuges wie beispielsweise Ansauglufttemperatur (TL), Quotient aus der Fahrgeschwindigkeit (v) und der Motordrehzahl (Nmot) sowie von der Zündwinkelkorrekturgröße (KR) mit einem Temperaturänderungswert (DT1 ... DT3) beaufschlagt wird, in den Kennfeldern korrigiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsgröße zumindest eine der Größen einer Ansauglufttemperatur (TL), eines eingelegten Getriebeganges und einer Zündwinkelkorrektur (KR) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der Temperaturen (Tg(t), Tb(t)) nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) fortwährend durchgeführt wird.
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