DE69713019T2 - Verfahren und System zur Ermittlung der mittleren Temperatur eines Innenpunktes eines Katalysators - Google Patents

Verfahren und System zur Ermittlung der mittleren Temperatur eines Innenpunktes eines Katalysators

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Description

  • Diese Erfindung hängt mit Vorfahren und Systemen zur Abschätzung einer Bettmittentemperatur eines Katalysators auf Grundlage der geschätzten Rate von Motor-Fehlzündungen zusammen.
  • Ein Apparat zur Abgasemissions-Kontrolle schließt typischerweise einen in einem Abgas-Durchgangsweg eines Verbrennungsmotors bereitgestellten Katalysator ein, um die durch den Motor erzeugten Abgasemissionen zu vermindern. Derartige Katalysatoren funktionieren um die vom Motor erzeugte Abgas-Zusammensetzung chemisch zu verändern, um dabei zu helfen verschiedene Umweltbestimmungen zu erfüllen, welche die Emissionen aus dem Auspuffregeln. Gegenwärtige Verfahren zur Schätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators versäumen es jedoch die Effekte von Motor-Fehlzündungen in Betracht zu ziehen, welche einen Anstieg in der Temperatur des Katalysators verursachen.
  • Die Verwendung einer geschätzten Temperatur des Bettmittelpunktes eines Katalysators auf Grundlage der Motor-Fehlzündungsrate ist erforderlich für Systeme, die nach verbesserter On-Board-Diagnostik (OBD-II) des California Air Ressources Board reguliert sind. Unter OBD-II müssen Automobilhersteller das Fehleranzeigelicht (MIL, Malfunction Indication Light; Fehleranzeigelicht) beleuchten, wenn die Rate an Fehlzündungen eine Rate übersteigt, welche aufgrund einer übermäßigen Temperatur einen Katalysatorschaden verursachen wird. Kurz nach dem Kaltstart weisen Motoren aus vielen Gründen Fehlzündungen auf, was die MIL's mit hoher Rate aufleuchten läßt. Der Katalysator wurde jedoch nicht beschädigt, weil der Motor gerade erst gestartet wurde. Somit werden hohe und unnötige Garantiekosten hervorgerufen. Dementsprechend besteht ein Bedarf die Temperatur des Bettmittelpunktes eines Katalysators genau abzuschätzen, wobei der Effekt von Motor-Fehlzündungen in Betracht gezogen wird; um ihn bei der Bestimmung zu verwenden, wann die Fehlzündungsrate einen Schwellenwert überschreitet, welcher aufgrund übermäßiger Temperatur ein Schlechterwerden des Katalysators verursachen kann.
  • Es ist somit ein allgemeiner Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und System zur Abschätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators auf Grundlage der Motor-Fehlzündungsrate bereitzustellen.
  • Gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abschätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators im Abgassystem eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, der mindestens einen Zylinder besitzt, wobei das Abgassystem eine Abgasleitung zum Transport von Abgasen vom Motor zum Katalysator aufweist; und wobei selbige Methode es umfaßt die Änderungsrate der Motordrehzahl abzutasten und ein entsprechendes Drehzahlsignal zu erzeugen; eine im Motor über eine vorherbestimmte Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen hinweg auftretende Fehlzündungsrate auf Grundlage des Drehzahlsignals abzuschätzen; eine augenblickliche Temperatur des Abgases an einem ersten Punkt der Abgasleitung auf Grundlage der geschätzten Rate von Fehlzündungen zu bestimmen; und eine augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt des Katalysators auf Grundlage der augenblicklichen Temperatur des Abgases an dem ersten Punkt der Abgasleitung zu bestimmen.
  • Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat zur Abschätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei das Abgassystem eine Abgasleitung zum Transport des Abgases vom Motor zum Katalysator einschließt, und welches System einen Sensor umfaßt um die Änderungsrate der Drehzahl des Motors abzutasten und ein entsprechendes Drehzahlsignal zu erzeugen; und eine Steuerung, die Vorrichtungen zur Schätzung einer im Motor über eine vorherbestimmte Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen hinweg auftretende Fehlzündsrate auf Grundlage des Drehzahlsignals umfaßt; Vorrichtungen zur Bestimmung einer augenblicklichen Temperatur von Abgasen an einem ersten Punkt an der Abgasleitung auf Grundlage der geschätzten Fehlzündugsrate; und Vorrichtungen zur Bestimmung einer augenblicklichen Temperatur an einem Bettmittelpunkt des Katalysators auf Grundlage der augenblicklichen Temperatur von Abgasen an dem ersten Punkt an der Abgasleitung.
  • Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in welchen:
  • Abb. 1 ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugmotors und einer elektronischen Motorsteuerung ist, welche das Prinzip der Erfindung verkörpern;
  • Abb. 2, 3 und 4 Ablaufdiagramme sind, welche die allgemeine, mit dem Betrieb der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehende Folge von Schritten veranschaulichen.
  • Wendet man sich nun Abb. 1 zu, so ist dort eine schematische Darstellung eines Systems der vorliegenden Erfindung gezeigt, allgemein durch Bezugsnummer 10 bezeichnet. Das System 10 schließt einen Verbrennungsmotor 12 ein, der ein, Ansaugrohr 14 und ein Abgassystem 16 besitzt. Im Ansaugrohr 14 ist ein herkömmlicher Luftmassenstrom-Sensor 18 angeordnet, um die in den Motor 12 hinein angesaugten Luftmenge abzutasten, und um ein entsprechendes Luftstrom-Signal 20 zum Empfang durch eine Motor-Steuereinheit 22 (ECU, Engine Control Unit; Motor- Steuereinheit) zu erzeugen. Das Luftstrom-Signal 20 wird durch die ECU 22 verwendet um einen Luftmasse (AM, Air Mass; Luftmasse) genannten Wert zu berechnen, welcher für eine in das Ansaugsystem einströmende Luftmasse in lbs/min bezeichnend ist. Das Luftstrom-Signal 20 wird außerdem benutzt um einen Luftladung (AIRCHG) genannten Wert zu berechnen, welcher für die Luftmasse pro Zylinderfüllung - in Einheiten von lbs pro Zylinderfüllung - bezeichnend ist, wobei eine Zylinderfüllung für einen Viertakt-Motor auf je zwei Motorumdrehungen einmal auftritt. In einer anderen, einen Zweitakt-Motor verwendenden Ausführungsform tritt eine Zylinderfüllung für jeden Zylinder des Motors 12 bei jeder Motorumdrehung auf.
  • Das System 10 schließt weiterhin andere, allgemein bei 24 angezeigte Sensoren ein, um zusätzliche Informationen über die Motorleistung, wie etwa Kurbelwellenstellung, Winkelgeschwindigkeit, Drosselstellung, Lufttemperatur, Motorkühlmittel-Temperatur usw., zu der ECU 22 bereitzustellen. Die Informationen von diesen Sensoren werden von der ECU 22 verwendet, um den Betrieb des Motors 12 zu steuern.
  • Das Abgassystem 16, das einen Abgaskrümmer 26 und ein Abgasflansch 28 umfaßt, transportiert durch die Verbrennung einer Luft/Kraftstoff-Mischung in dem Motor 12 erzeugtes Abgas zu einem Katalysator 30. Der Katalysator 30 enthält ein Katalysatormaterial 32 und 34, welches das vom Motor 12 erzeugte Abgas über einen Einlaß 36 empfängt und das Abgas dann chemisch verändert, um ein inertes, katalytisch behandeltes Abgas zu erzeugen.
  • Ein oberstromiger, beheizter Abgassauerstoff-Sensor (HEGO, Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor; beheizter Abgassauerstoff-Sensor), der oberstromig des Kanisters 30 in Abgassystem 16 des Motors 12 angeordnet ist, detektiert den Sauerstoffgehalt des von Motor 12 erzeugten Abgases und überträgt ein repräsentatives Signal 39 an die ECU 22. Ein stromabwärts angeordneter HEGO-Sensor 40, der im Strom unterhalb des Katalysators 30 positioniert ist, detektiert den Sauerstoffgehalt des katalytisch behandelten Abgases und überträgt ein repräsentatives Signal 41 an die ECU 22. In einer bevorzugten Ausführungsform erfahren das Katalysatormaterial 32 und 34 des Katalysators 30 jeweils eine Degradation, wenn sie bei einer Temperatur von mehr als ungefähr 980ºC (1800ºF) betrieben werden. Eine Temperatur an einem Bettmittelpunkt, gezeigt bei 42, ist für die Temperatur des Katalysatormaterials in dem Katalysator 30 repräsentativ. Der Bettmittelpunkt 42 ist vorzugsweise ein Zoll vom anfänglichen Kontaktpunkt des Abgases am ersten Katalysatormaterial 32 in der axialen Mittellinie des Katalysatormaterials 32 angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird während des Motorbetriebs die Temperatur des Bettmittelpunktes 42 bestimmt. Die Bettmittentemperatur kann in vielen Anwendungen verwendet werden, wie etwa der Überwachung des Katalysators auf Schäden unter den Regulierungen der CARB OBD-II, der Zündverzögerungs- Begrenzung während einer Traktionsregelung, bei der Bereitstellung einer Luft/Kraftstoff-Mischung zur Einhaltung einer gegebenen Abgastemperatur-Grenze, usw..
  • Die Abb. 2, 3, und 4 sind Ablaufdiagramme, welche die in einer Von der ECU 22 verrichteten Routine ausgeführten Schritte zeigen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die in Abb. 2, 3 und 4 gezeigten Schritte einen Abschnitt einer größeren Routine, welche andere Motor-Steuerfunktionen verrichtet. Die Abb. 2 und 3 zeigen die Schritte in einer Temperaturbestimmungs-Routine, die von der ECU 22 verrichtet wird um die Temperatur des Bettmittelpunktes 42 des Katalysators 30 während des Motorbetriebs zu bestimmen.
  • Bei Schritt 200 wird in die Bettmittentemperatur-Bestimmungsroutine eingetreten, und bei 201 wird ein Initialisierungsmerker EXT INIT geprüft, um zu bestimmen ob bestimmte Temperaturvariablen initialisiert wurden. Eine bevorzugte Ausführungsform initialisiert vorteilhaft bestimmte Temperaturvariablen in einer Art und Weise, um Fälle Rechnung zu trägen, in denen ein Motor möglicherweise für kurze Zeitabschnitte abgeschaltet wird, in welchen der Katalysator möglicherweise nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Katalysator-Übertemperaturzustände werden dementsprechend reduziert, indem man auf die Motorzündung hin die Katalysatortemperatur als eine Funktion der Katalysatortemperatur auf das Abschalten des Motors hin, der Umgebungstemperatur, einer für die Katalysatorabkühlung bezeichnenden, kalibrierbaren Zeitkonstante, und der seit dem Abschalten des Motors bis zum darauffolgenden Motorbetrieb verstrichenen Zeit abschätzt. EXT_INIT wird auf einen Wert von Null gesetzt werden wenn die Motorleistung eingeschaltet wird, so daß bei 202 die Temperaturvariablen initialisiert werden können. Sind die Variablen einmal initialisiert, so wird EXT_INIT auf einen Wert von Eins gesetzt und verbleibt bei einem solchen Wert, bis der Motorbetrieb abgebrochen wird. Bei 202 wird eine Mehrzahl von Variablen zur Verwendung in der Temperaturbestimmungs-Routine wie unten gezeigt initialisiert:
  • EXT_FL = (EXT_FL. - INFAMB_KAM)· FNEXP (-ENG_OFF_TMR/TC_SOAK_FL) + INFAMB_KAM (1)
  • EXT_CMD = (EXT_CMD - INFAMB_KAM)· FNEXP (-ENG_OFF_TMR/TC_SOAK_FL) + INFAMB_KAM (2)
  • EXT_SS_FLN = EXT_FL (3)
  • EXT_INIT = 1 (4)
  • wobei:
  • EXT_FL ein Wert ist, welcher in der ECU 22 gespeichert ist und welcher für eine augenblickliche Temperatur des Abgases an Abgasflansch 28 bezeichnend ist. Wie aus den beiden Gleichungen (1) und (2) oben ersichtlich ist, wird ENG_OFF_TMR einen hohen Wert enthalten, wenn der Motor für einen langen Zeitabschnitt abgeschaltet wurde; die Exponentialfunktion wird auf der ersten Seite der Gleichung in einem ersten, additiven Term resultieren, der gleich Null wird; und die Temperatur der Katalysator-Bettmitte und des Abgasflansches wird gleich der Umgebungstemperatur werden. Für kürzere Zeitabschnitte wird die Exponentialfunktion FNEXP das Abkühlen der Katalysator-Bettmitte nähern. Weil EXT_FL in der ECU 22 gespeichert ist, wird EXT_EL auf das Initialisieren hin vorteilhaft die Temperatur des Abgases an Abgasflansch 28 enthalten, mit welcher der Motor zuletzt abgeschaltet wurde;
  • ENG_OFF_TMR eine Variable ist, welche die Zeit in Sekunden anzeigt, die der Motor abgeschaltet war;
  • TC_SOAK_FL eine kalibrierbare Zeitkonstante in Sekunden ist, die mit dem Abkühlen des Abgases an dem Abgasflansch 28 in Zusammenhang steht, wenn der Motor abgeschaltet wurde;
  • FNEXP() eine in ECU 22 gespeicherte Tabelle ist, welche eine Exponentialfunktion für die Verwendung durch einen Festkomma-Prozessor in der ECU 22 nähert;
  • EXT_CMD ein augenblicklicher Temperaturwert am Bettmiittelpunkt 42 des Katalysators 30 ist;
  • ENG_OFF_TMR wie zuvor beschrieben ist;
  • TC_SOAK_CMD eine empirisch abgeleitete Zeitkonstante für das Abkühlen des Abgases an der Katalysator-Bettmitte in Sekunden ist; und
  • INFAMB_KAM ein für eine Schätzung der Umgebungstemperatur in Grad Fahrenheit bezeichnender Wert ist, welcher unter Verwendung eines Temperatursensors abgeschätzt werden kann.
  • Bei 203 wird - gemäß dem in U.S.-Patent Nr. 5,414,994 offenbarten Verfahren, erteilt an Cullen et al., und welches hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit eingeschlossen wird - ein für die Temperatur im stationären Zustand bezeichnender Stationärzustand-Temperaturwert des Abgasflansches 28 bestimmt, wenn der Motor 12 zündet. Die Stationärzustand-Temperatur des Abgasflansches 28 wird gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_SS_FLN_FIRING = FN4441(N,AIRCHG)·FN441A(LAMBSE)· FN441B(SPK_DELTA)·FN441C(EGRACT) + [FN441T(AM)· (EGT-200)] (5)
  • wobei:
  • FN4441(N,AIRCHG) ein empirisch abgeleiteter Wert ist, der in einer nach Motordrehzahl, N, und Luftladung, AIRCHG, indizierten Tabelle enthalten ist; welche - für eine bestimmte Motordrehzahl und Luftladung, bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) von 14,6 A/F, 0% Abgasrückführung (EGR, Exhaust Gas Recirculation; Abgasrückführung), maximaler Zündung für bestes Drehmoment und 200 Grad Fahrenheit (93ºC) Motorkühlmittel-Temperatur (ECT, Engine Coolant Temperature; Motorkühlmittel-Temperatur) - für eine Abgasflansch-Basistemperatur im Stationärzustand bezeichnend ist;
  • FN441A(LAMBSE) ein in einer Tabelle enthaltener und nach der Luft/Kraftstoff- Modulationsvariablen LAMBSE indizierter Wert ist, welcher für den Effekt von LAMBSE auf die Abgasflansch-Temperatur bezeichnend ist;
  • FN441B(SPK_DELTA) ein in einer nach einer Zündverschiebung - in Graden des Kurbelwinkels - indizierten Tabelle enthaltener Wert ist, welcher für einen Effekt der Zündungseinstellung auf die Abgasflansch-Temperatur bezeichnend ist;
  • FN441C(EGRACT) ein in einer nach dem Niveau der Abgasrückführung indizierten Tabelle enthaltener Wert ist, welcher für den Effekt der Abgasrückführung auf die Abgasflansch-Temperatur bezeichnend ist; und
  • FN441T(AM) ein nach der Luftmasse, AM, indizierter Wert ist, welcher für eine Verminderung in der Abgasflansch-Temperatur pro Grad der Motorkühlmittel- Temperatur unterhalb von 200 Grad Fahrenheit (93ºC) bezeichnend ist.
  • Bei 204 wird ein Stationärzustand-Temperaturwert, der für die Temperatur des Abgasflansches 28 aufgrund einer Nichtzündung des Motors 12 bezeichnend ist, gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_SS_FLN_NONFIRING = (ACT + ECT)/2 (6)
  • wobei:
  • ACT ein für eine Temperatur des Luftstroms in den Motor 12 hinein bezeichnender Wert ist; und
  • ECT ein für die Motorkühlmittel-Temperatur bezeichnender Wert ist.
  • Bei 205 wird ein für die durchschnittliche Fehlzündungsrate pro Zylinderfüllung bezeichnender Wert bestimmt. Die Drehzahl des Motors wird unter Verwendung der Kurbelwellenstellungs-Sensoren (nicht gezeigt) sehr genau gemessen. Im Falle einer Fehlzündung fehlt das Moment, welches normalerweise durch die Verbrennung erzeugt wird. Auf diese Weise können anormale Schwankungen von Drehzahländerungen unter stationären Bedingungen als Fehlzündungen in Betracht gezogen werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird die geschätzte Rate der Fehlzündungen gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • MISFIRE_RATE = [FK·(A/B - MISFIRE_RATE(old)] + MISFIRE_RATE(old) (7)
  • wobei:
  • A ein Wert ist, der für die inkrementelle Anzahl von Fehlzündungen seit der letzten Auffrischung bezeichnend ist;
  • B ein Wert ist, der für die inkrementelle Anzahl von Zylinderfüllungen seit der letzten Auffrischung bezeichnend ist;
  • MISIFIRE_RAT(old) ein für die durchschnittliche Fehlzündungsrate bezeichnender Wert ist, der während der letzten Auffrischung bestimmt wurde; und
  • FK eine Filterkonstante ist, die progressiv durch eine Gesamtzahl von geprüften Zylinderereignissen gewichtet wird, mit oberen und unteren Grenzwerten, entsprechend BETAMISHI und BETAMISLO; und die entsprechende der folgenden Beziehung bestimmt wird:
  • FK = 1/(Anzahl von Ereignissen seit dem Motorstart) (8)
  • Gleichung 8 erlaubt bei erstmaligem Start die Bestimmung eines, augenblicklichen Durchschnitts, und wechselt mit Fortschreiten der Zeit zu einem wandernden Durchschnitt. Zum Beispiel, erlaubt es das Setzen von BETAMISHI = 1,0 der Fehlzündungsraten-Berechnung, bei der ersten Auffrischung zu deim augenblicklichen Durchschnittswert zu springen. Während die Gesamtzahl von geprüften Ereignissen wächst, nimmt die Filterkonstante umgekehrt ab und fährt damit fort eine echte, durchschnittliche Fehlzündungsrate zu berechnen. Wenn die Filterkonstante den unteren Grenzwert BETAMISLO erreicht wird die Berechnung zu einem wandernden Durchschnitt, indem die Fehlzündungsrate ein gleitendes Fenster abdeckt, das mindestens 1/BETAMISLO Ereignisse umspannt.
  • Bei 206 wird ein Stationärzustand-Temperaturwert, der für die Temperatur des Abgasflansches 28 sowohl aufgrund einer Zündung wie auch einer Nichtzündung des Motors 13 bezeichnend ist, gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_SS_FLN = MISFIRE_RATE·EXT_SS_FLN_NONFIRING + (1 - MISFIRE_RATE)·EXT_SS_FLN_FIRING (9)
  • Bei 207 wird eine Zeitkonstante TC_FLN, welche für einen Temperaturanstieg des Abgasflansches 28 bezeichnend ist, als eine Funktion von AM zu System 10 gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
  • TC_FLN = FNxx1(AM) (10)
  • wobei FNxx1 (AM) ein aus einer wie zuvor beschrieben nach AM indizierten Tabelle erhaltener Wert ist, und für die Zeitkonstante des Anstiegs in der Abgasflansch- Temperatur - in Sekunden - aufgrund einer schrittartigen Änderung der augenblicklich vorhergesagten Abgasflansch-Temperatur gegen die Luftmasse bezeichnend ist. Diese Zeitkonstante steht in Zusammenhang mit der Wärmekapazität des Metalls von der Verbrennungskammer bis zum Abgasflansch 28.
  • Bei 208 wird dann ein augenblicklicher Wert des Abgasflansches, EXT_FLN, als eine Funktion der Abgasflansch-Temperatur im Stationärzustand, EXT_SS_FLN, der Zeitkonstante des Temperaturanstieges, TC_FLN, und der zu Ausführung der Hintergrundschleife benötigten Zeit, BG_TMR, entsprechend der folgenden Beziehung berechnet:
  • EXT_FLN = [(1 - FK)·EXT_FLN(old)] + FK*EXT_SS_FLN (11)
  • wobei FK gemäß der folgenden Beziehung eine exponentielle Glättungsfunktion verrichtet:
  • FK = 1/[1 + (TC_FLN/BG_TMR)] (12)
  • Ein Temperaturabfall im stationären Zustand, EXT_LS_CIN, zwischen dem Abgasflansch 28 und dem Abgaseinlaß des Katalysators 30 wird bei Schritt 209 gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
  • EXT_LS_CIN = FN445L(AM)·DELTA_T (13)
  • wobei:
  • FN445L(AM) ein einheitenloser, in einer nach der Massendurchflußrate an Luft AM indizierten Tabelle enthaltener Wert ist, welcher für einen Temperaturabfall zwischen Abgasflansch 28 und Katalysatoreinlaß 36 als eine Funktion von AM bezeichnend ist, und
  • DELTA_T ein Wert ist, welcher für einen Temperaturunterschied in Grad Fahrenheit z wischen Umgebungstemperatur und der durchschnittlichen Abgastemperatur in der Abgasleitung zwischen dem Abgasflansch 28 und dem Abgaseinlaß 36 bezeichnend ist.
  • DELTA_T wird bevorzugt gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
  • DELTA_T = AVG_T - INFAMB_KAM (14)
  • wobei:
  • INFAMB_KAM wie zuvor beschrieben ist, und
  • AVG_T ein für eine Durchschnittstemperatur der Abgastemperatur vom Abgasflansch 28 zudem Abgaseinlaß 36 des Katalysators 30 bezeichnender Wert ist.
  • AVG_T wird bevorzugt gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
  • AVG_T = (EXT_FL + EXT_CIN)/2 (15)
  • wobei:
  • EXT_FLN wie zuvor beschrieben ist; und
  • EXT_CIN ein für die Temperatur des Abgases am Katalysatoreinlaß 36 des Katalysators 30 bezeichnender Wert ist:
  • Der in EXT_CIN enthaltene Wert wird in einer unten zu beschreibenden Art und Weise berechnet. Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, wird ein Wert von EXT_CIN - welcher auf die vorigen Ausführung der Sehritte in Abb. 2 hin berechnet wurde - in einer bevorzugten Ausführungsform in Gleichung (15) oben verwendet.
  • Der Temperaturwert, EXT_CIN, wird bei Schritt 210 als eine Funktion der augenblicklichen Temperatur des Abgasflansches 28, EXT_CIN, und des Temperaturabfalls zwischen dem Abgasflansch 28 und dem Katalysatoreinlaß 36 im Stationärzustand, EXT_LS_CIN, berechnet, wie unten gezeigt ist:
  • EXT_CIN = EXT_FLN - EXT_LS_CIN (16)
  • Bei 211 wird auf Grundlage der Bestimmung, ob der Katalysator 32 gezündet hat oder nicht, ein Wert EXT_SS_EXD berechnet, welcher für die Temperatursteigerung des Abgases in dem Katalysator 30 aufgrund der exothermen Reaktion des Abgases mit dem Katalysatormaterial 32 und 34 bezeichnend ist.
  • Die Bestimmung des Temperaturwertes der Stationärzustand-Exothermiedifferenz ist in Abb. 3 weiter veranschaulicht. Ist die Temperatur des Bettmittelpunktes 42 des Katalysators 30, EXT_CMD, niedriger als ein deutlich niedriger (CL, Clear Low; "deutlich niedrig(er)") Wert EXT_EXO_CL, so wird wie entsprechend bei 212 und 213 gezeigt eine Null-Logik ausgeführt. Der in EXT_CMD enthaltene Wert wird in einer unten zu beschreibenden Art und Weise berechnet. Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsfom hier ein Wert von EXT_CMD verwendet, welcher auf die vorige Ausführung der Schritte in Abb. 2 hin berechnet wurde. Der Temperaturwert für die Stationärzustand-Exothermiedifferenz wird dann gemäß der folgenden Beziehung berechnet:
  • WENN(EXT CMD < EXT_EXO_CL)
  • DANN
  • EXO AT_STOIC = 0 (17)
  • EXT_SS_CMSS CMS = EXT_CIN (18)
  • EXT_SS_EXD = 0 (19)
  • wobei:
  • EXT_CMD wie zuvor beschrieben ist;
  • EXT_EXO_CL ein kalibrierbarer, deutlich niedriger Wert ist; z. B. 204ºC (400 Grad Fahrenheit); der für die Temperatur bezeichnend ist, unterhalb welcher der Katalysator 30 nicht gezündet ist;
  • EXO_AT_STOIC ein für die Exothermentemperatur bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezeichnender Wert ist;
  • EXT_SS_CMS ein für die Stationärzustand-Temperatur des Bettmittelpunkts 36 des Katalysators 30 bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezeichnender Wert ist;
  • EXT_CIN wie zuvor beschrieben ist; und
  • EXT_SS_EXD ein für die Temperatur der Stationärzustand-Exothermiedifferenz bezeichnender Wert ist.
  • Ist die Temperatur des Bettmittelpunktes 42 des Katalysators 30, EXT_CMD, höher als ein gesetzter, hoher Wert (SH, Set High; "hoch gesetzt") EXT_EO_SH, so wird - wie entsprechend bei 214 und 215 gezeigt - eine Nicht-Null-Logik ausgeführt und entsprechend der folgenden Beziehung berechnet:
  • WENN(EXT_CMD > EXT_EXO_SH)
  • DANN
  • EXO_AT_STOIC = FN448(1) (20)
  • EXT_SS_CMS = EXO_AT_STOIC + EXT_CIN (21)
  • EXT_SS_EXO = FN448A(LAMBSE) + MISFIRE_RATE·FNxx2(AM) (22)
  • EXT_SS_EXD = EXT_SS_EXO - EXO_AT_STOIC (23)
  • wobei:
  • EXT_EXO_SH ein kalibrierbarer, hoch gesetzter Wert ist, z. B. 260ºC (500 Grad Fahrenheit), der für die Temperatur bezeichnend ist oberhalb welcher der Katalysator 30 zu zünden beginnt;
  • FN448A(1) der Wert der Exotherme bei einem Äquivalenzverhältnis von Eins ist; welches einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht;
  • EXT_SS_EXO ein für die Temperatursteigerung, des Abgases in dem Katalysator 30 bezeichnender Wert ist, die aufgrund der exothermen Reaktion des Abgases mit dem Katalysatormaterial 32 und 34 erfolgt;
  • FN448A(LAMBSE) ein vorherbestimmter Wert in Grad Fahrenheit ist, der für eine Stationärzustand-Steigerung der Abgastemperatur im Katalysator bezeichnend ist, und der als Funktion von LAMBSE gespeichert wird;
  • MISFIRE_RATE wie zuvor beschrieben ist; und
  • FNxx2(AM) die Steigerung der Exotherme pro Prozent der Fehlzündung als Funktion der Luftmasse ist.
  • Die Bestimmung des Temperaturwertes der Exothermiedifferenz im Stationärzustand verwendet eine Hysteresen-Methodologie. Ist der Katalysator einmal gezündet, so bleibt er gezündet bis die Bettmittentemperatur des Katalysators unter den CL-Wert sinkt.
  • Kehrt man nun zu Abb. 2 zurück, so wird bei 216 ein augenblicklicher Temperaturwert für die Exothermiedifferenz bestimmt, indem zuerst ein für einen Temperaturanstieg des Abgases im Katalysator 30 - in Sekunden - bezeichnender Zeitkonstanten-Wert TX_EXD gemäß der folgenden Beziehung berechnet wird:
  • TC_EXD = FN449A(AM) (24)
  • wobei:
  • FM449A(AM) ein aus einer nach AM indizierter Tabelle erhaltener Wert ist, und der für eine Zeitkonstante - in Sekunden - der Änderungsrate in der Katalysator- Bettmittentemperatur aufgrund einer stufenförmigen Änderung in der Exothermie gegen die Luftmasse (AM) bezeichnend ist.
  • Der augenblickliche Temperaturwort EXT_EXD wird dann bei 216 als eine Funktion des Wertes der Stationärzustand-Exothemiedifferenz EXT_SS_EXD, der Zeitkonstante des Temperaturanstiegs der Exothermiedifferenz, TC_EXD, und von BG_TMR entsprechend der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_EXD = (1 - FK)·EXT_EXD + FK·EXT_SS_EXD (25)
  • wobei:
  • FK eine exponentielle Glättungsfunktion gemäß der folgenden Beziehung verrichtet:
  • FK = 1/[1 + (TC_EXD/BG_TMR]) (26)
  • Bei 217 wird ein augenblicklicher Temperaturwert für den Bettmittelpunkt 36 bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis berechnet, indem zuerst ein Zeitkonstanten-Wert TC_CMS berechnet wird, der entsprechend der folgenden Beziehung für einen Temperaturanstieg des Abgases in dem Katalysator 30 - in Sekunden bezeichnend ist:
  • TC_CMS = FN449(AM) (27)
  • wobei:
  • FN449(AM) ein aus einer nach AM indizierten Tabelle erhaltener Wert ist, und der für eine Zeitkonstante - in Sekunden - der Änderung in der Bettmittentemperatur des Katalysators aufgrund einer stufenförmigen Änderung in der augenblicklich vorhergesagten Abgasflansch-Temperatur gegen die Luftmasse bezeichnend ist. Der augenblickliche Temperaturwert des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, EXT_CMS, wird dann bei 217 als eine Funktion des Bettmittentemperaturwertes im Stationärzustand, EXT_SS_CMS, der Zeitkonstante des Temperaturanstieges der Bettmitte, TC_CMS, und BG_TMR gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_CMS = (1 - FK)*EXT_CMS + FK·EXT_SS_CMS (28)
  • wobei:
  • FK eine exponentielle Glättungsfunktion entsprechend der folgenden Beziehung verrichtet:
  • FK = 1/[1 + (TC_CMS/BG_TMR)] (29)
  • Bei Schritt 218 wird ein augenblicklicher Temperaturwert für den Bettmittelpunkt, EXT_CMD, als eine Funktion der augenblicklichen Exothermie-Differenz, EXT_EXD, und der augenblicklichen Bettmittentemperatur des Katalysators bei siöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, EXT_CMS, gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
  • EXT_CMD = EXT_CMS + EXT_EXD (30)
  • wobei:
  • EXT_CMS und EXT_EXD wie zuvor beschrieben sind.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die augenblickliche Bettmittentemperatur des Katalysators unter Verwendung eines Temperatursensors bestimmt werden.
  • Die Verwendung der geschätzten Katalysator-Bettmittentemperatur für eine verbesserte, nach CARB OBD-II regulierte Diagnostik wird nun beschrieben werden. Unter OBD-II müssen Automobilhersteller das Fehleranzeigelicht (MIL) beleuchten, wenn die Rate an Fehlzündungen eine Rate übersteigt, welche aufgrund einer übermäßigen Temperatur einem Katalysatorschaden verursachen wird. Eine Fehlzündung kann aus einem von zwei Gründen auftreten, d. h. entweder ist der Kraftstoff nicht in den Zylinder gelangt, oder ein Funken hat den Kraftstoff nicht gezündet, in welchem Fall am Katalysator eine übermäßige Temperatur gesehen wird. Motor-Fehlzündungen des oben beschriebenen, zweiten Typs verursachen - proportional der Fehlzündungsrate - eine Steigerung der Exothermie des Katalysators 30; und eine kleinere, der Fehlzündungsrate grob proportionale Abnahme in der Abgasflansch-Gastemperatur. Somit wirkt die - basierend auf der Gegenwart von Motor-Fehlzündungen bestimmte - Katalysator-Bettmittentemperatur als ein Gatter für den Fehlzündungs-MIL-Schwellenwert nach OBD-II, indem die geschätzte Katalysator- Bettmittentemperatur wie unten beschrieben explizit mit einer Katalysator- Schadenstemperatur verglichen wird.
  • Wendet man sich nun Abb. 4 zu, so wird dann und nur dann wie bei 402 gezeigt ein Versagenssignal erzeugt, wenn die Fehlzündungsrate, MISFIRE_RATE, wie bei 400 gezeigt einen Wert FNMAXMISPCT(NAIRCHG) übersteigt, und wenn die augenblickliche Katalysator-Bettrmittentemperatur, EXT_CMD, wie irr 401 gezeigt einen kalibrierbaren Schadens-Schwellenwert, EXT_CAT_DAMAGE, übersteigt.
  • FNMAXMISPCT(N,AIRCHG) ist eine Tabelle von empirisch abgeleiteten, nach der Motordrehzahl, N, und der Luftladung, AIRCHG, indizierten Werten, welche für gegebenes N und AIRCHG bei stabilisierter Temperatur für den maximal zugelassenen Prozentsatz an Fehlzündungen bezeichnend ist. Die Katalysator-Bettmittentemperatur, EXT_CMD, schließt die Effekte von Fehlzündungen ein. Die Variable EXT_CAT_DAMAGE ist ein kalibrierbarer Wert, z. B. 982ºC (1800º Fahrenheit), welcher für die Temperatur bezeichnend ist bei welcher ein Katalysator womöglich degradiert. Weil die Tabelle FNMAXMISPCT allgemein ein Verhalten für stabilisierte Temperaturen abdecken würde, ist es die primäre Rolle der Katalysatortemperatur- Schätzung, die MIL-Beleuchtung während der Aufwärmphase auszuschließen, wenn der Katalysator nicht beschädigt wird. Das erzeugte Versagenssignal kann dann verwendet werden um die MIL zu beleuchten.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Modell bereit um eine genaue Schätzung der Katalysator-Bettmittentemperatur zu bestimmen, indem die Effekte von Motor- Fehlzündungen in Betracht gezogen werden. Folglich werden dort weniger Beleuchtungen von MILs auftreten, wo Fehlzündungen auftreten, der Katalysator sich aber noch nicht auf Temperatur befindet.

Claims (10)

1. Ein Verfahren zur Abschätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, der mindestens einen Zylinder besitzt, wobei das Abgassystem eine Abgasleitung zum Transport von Abgasen vom Motor zum Katalysator aufweist; wobei das Verfahren Folgendes umfaßt:
die Änderungsrate der Motordrehzahl abzutasten und ein entsprechendes Drehzahlsignal zu erzeugen;
eine im Motor über eine vorherbestimmte Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen hinweg auftretende Fehlzündungsrate auf Grundlage des Drehzahlsignals abzuschätzen;
eine augenblickliche Temperatur des Abgases an einem ersten Punkt der Abgasleitung äüf Grundlage der geschätzten Rate von Fehlzündungen zu bestimmen; und
eine augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt des Katalysators auf Grundlage der augenblicklichen Temperatur des Abgases an dem ersten Punkt der Abgasleitung zu bestimmen.
2. Ein Verfähren gemäß Anspruch 1, in dem die Schritte der. Schätzung der Fehlzündungsrate Folgendes umfassen:
einem ersten, für die inkrementelle Anzahl von Fehlzündungen seit einer letzten Auffrischung bezeichnenden Wert auf Grundlage des Drehzahlsignals zu bestimmen;
einen zweiten; für die inkrementelle Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen seit einer letzten Auffrischung bezeichnenden Wert zu bestimmen; und
eine Filterkonstante zu bestimmen, welche progressiv durch die Gesamtzahl von Zylinderereignissen gewichtet wird.
3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem der Schritt der Schätzung der Fehlzündungsrate gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird:
[FK·B·(A/B-MISFIRE_RATE(old)] + MISFIRE_RATE(old),
wobei A dem ersten Wert entspricht, B dem zweiten Wert entspricht, MISFIRE_RATE(old) ein für die während einer letzten Auffrischung geschätzte durchschnittliche Fehlzündungsrate bezeichnender Wert ist; und FK die Filterkonstante ist, die gleich dem Kehrwert der Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen seit dem Motorstart ist.
4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die Bestimmung der augenblicklichen Temperatur des Abgases an dem ersten Punkt Folgendes umfaßt:
eine Stationärzustands-Temperatur des Abgases an dem ersten Punkt als eine Funktion einer Stationärzustands-Temperatur an dem ersten Punkt bei einer speziellen Motordrehzahl und Luftladung, Luft/Kraftstoff-Modulation; Motor-Zündungseinstellung, Abgasrückführung und Motorkühlmittel-Temperatur zu bestimmen, wenn der Motor zündet;
eine Stationärzustands-Temperatur eines Abgases an dem ersten Punkfals Funktion der Temperatur eines Luftstroms in dem Motor hinein und der Motorkühlmittel- Temperatur zu bestimmen, wenn der Motor nicht zündet.
5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die Bestimmung der augenblicklichen Temperatur an dem Bettmittelpunkt Folgendes umfaßt:
eine augenblickliche Temperatur der Abgase am Abgaseinlaß des Katalysators auf Grundlage der augenblicklichen Temperatur an dem ersten Punkt abzuschätzen;
eine augenblickliche Temperatur der Abgase an dem Katalysator aufgrund einer exothermen Reaktion der Abgase auf Grundlage der geschätzten Fehlzündungsrate zu bestimmen; und
eine augenblickliche, stöchiometrische Temperatur am Bettmittelpunkt bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen.
6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, in dem die Bestimmung der augenblicklichen Temperatur der Abgase am Katalysator aufgrund einer exothermen Reaktion der Abgase Folgendes umfaßt:
die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt mit einem zweiten und dritten Temperatur-Schwellenwert zu vergleichen;
die augenblickliche Temperatur der Abgase am Katalysator gleich Null zu setzen, wenn die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt niedriger ist als der zweite Temperatur-Schwellenwert; und
die augenblickliche Temperatur der Abgase an dem Katalysator als eine Funktion eines Stationärzustand-Anstieges in der Temperatur der Abgase in dem Katalysator, der geschätzten Räte von Fehlzündungen, eines Anstieges in der exothermen Reaktion der Abgase pro geschätzter Fehlzündungsrate, und einer exothermen Reaktion bei einem Äquivalenzverhältnis von Eins - was einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht - zu bestimmen, wenn die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt den dritten Temperatur-Schwellenwert übersteigt.
7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, in dem die Bestimmung der augenblicklichen, stöchiometrischen Temperatur am Bettmittelpunkt des Katalysators bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-/erhältnis Folgendes umfaßt:
die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt mit dem zweiten und dritten Temperatur-Schwellenwert zu vergleichen;
die augenblickliche, stöchiometrische Temperatur am Bettmittelpunkt gleich der augenblicklichen Temperatur der Abgase am Abgaseinlaß des Katalysators zu setzen, wenn die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt geringer ist als der zweite Temperatur-Schwellenwert; und
die augenblickliche, stöchiometrische Temperatur am Bettmittelpunkt als eine Funktion einer exothermen Reaktion bei einem Äquivalenzverhältnis von Eins - das einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht - und die augenblickliche Temperatur der Abgase am Abgaseinlaß zu bestimmen, wenn die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt den dritten Temperatur-Schwellenwert übersteigt.
8. Ein Apparat zur Abschätzung der Bettmittentemperatur eines Katalysators (30) in einem Abgassystem (16) eines Verbrennungsmotors (12); wobei das Abgassystem (16) eine Abgasleitung (26) zum Transport des Abgases vom Motor zum Katalysator (30) einschließt, und der Apparat umfaßt:
einen Sensor, um die Änderungsrate der Drehzahl des Motors abzutasten und ein entsprechendes Drehzahlsignal zu erzeugen; und
eine Steuerung (22), die umfaßt:
Vorrichtungen zur Schätzung einer im Motor über eine vorherbestimmte Anzahl von Zylinderfüllungs-Ereignissen hinweg auftretende Fehlzündsrate auf Grundlage des Drehzahlsignals;
Vorrichtungen zur Bestimmung einer augenblicklichen Temperatur von Abgasen an einem ersten Punkt an der Abgasleitung auf Grundlage der geschätzten Fehlzündungsrate; und
Vorrichtungen zur Bestimmung einer augenblicklichen Temperatur an einem Bettmittelpunkt des Katalysators auf Grundlage der augenblicklichen Temperatur von Abgasen an dem ersten Punkt an der Abgasleitung.
9. Ein Apparat gemäß Anspruch 8, in dem die Steuerung weiter umfaßt:
Vorrichtungen um eine Stationärzustand-Temperatur von Abgasen an dem ersten Punkt als Funktion einer Basis-Stationärzustand-Temperatur an dem ersten Punkt bei einer speziellen Motordrehzahl und Luftladung, Luft/Kraftstoff-Modulierung, Motor- Zündungseinstellung, Abgasrückführung und Motorkühlmittel-Temperatur zu bestimmen, wenn der Motor zündet; und
Vorrichtungen um eine Stationärzustand-Temperatur von Abgasen an dem ersten Punkt als Funktion der Temperatur eines Luftstroms in den Motor hinein und der Motorkühlmittel-Temperatur zu bestimmen, wenn der Motor nicht zündet:
10. Ein Apparat gemäß Ansprüch 8, in dem die Steuerung weiterhin umfaßt:
Vorrichtung um die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt mit einem ersten Temperatur-Schwellenwert zu vergleichen, der für die Temperatur bezeichnend ist bei welcher der Katalysator beschädigt wird;
Vorrichtungen um die geschätzte Rate von Fehlzündungen mit einem Fehlzündungsraten-Schwellenwert zu vergleichen, der für die bei einer gegebenen Motordrehzahl maximal zulässigen Fehlzündungen bezeichnend ist; und
Vorrichtungen um ein Versagenssignal zu erzeugen, wenn die augenblickliche Temperatur am Bettmittelpunkt den ersten Temperatur-Schwellenwert übersteigt und die geschätzte Fehlzündungsrate den Fehlzündungs-Schwellenwert übersteigt.
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