EP1310642A1 - Vorrichtung und Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1310642A1
EP1310642A1 EP02023569A EP02023569A EP1310642A1 EP 1310642 A1 EP1310642 A1 EP 1310642A1 EP 02023569 A EP02023569 A EP 02023569A EP 02023569 A EP02023569 A EP 02023569A EP 1310642 A1 EP1310642 A1 EP 1310642A1
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EP
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temperature
web
internal combustion
combustion engine
bkm
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Seiko Sass
Thomas Stutte
Jens Von Gregory
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • F01P2025/60—Operating parameters
    • F01P2025/64—Number of revolutions

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for Indirect determination of a temperature at a given Location of an internal combustion engine according to the preamble of the claim 1 or 5.
  • a motor diagnostic method in which the combustion chamber temperature is determined indirectly.
  • a glow plug designed as a sensor element is used.
  • the temperature-dependent internal resistance of the glow plug or the filament evaluated and from it the Combustion chamber temperature determined.
  • the invention is based on the problem of a temperature a hard to reach place an internal combustion engine with low additional construction effort in a simple manner too determined.
  • the device With the device according to the invention, it is possible to control the temperatures in hard to reach places of an internal combustion engine to determine in a simple way.
  • This is a Sensor for determining a component temperature at a constructive more easily accessible location. Farther is determined on the basis of the thus determined component temperature and others Input variables the temperature at the hard to reach Determined location. As further input variables are at least the engine speed, the fuel injection amount, the charge air temperature and the coolant temperature used. This are either determined directly via sensors or are in the Control unit of the internal combustion engine already as calculated sizes in front.
  • the temperature can be hard to reach places of the internal combustion engine without larger Determine structural measures.
  • the sensor for determining the component temperature is preferred arranged at an externally accessible position. This has the advantage of easy electrical contact and the Possibility to replace the sensor.
  • the device for determining the temperature at a bridge between two exhaust valves of the internal combustion engine used is of great importance since this component is for a thermally highly loaded and the other material thickness is relatively low at this point.
  • the temperature thus determined as input be used for the engine control.
  • the formula for indirect calculation according to claim 7 has proven in experiments as very suitable. It has become the input variables engine speed, fuel injection quantity, Charge air temperature and cooling water temperature as necessary but also sufficient to describe the physical Processes exposed. By using more Inputs can provide improved accuracy of detection be achieved.
  • FIG. 1 generally designated 1 four-cylinder internal combustion engine has two inlet and two outlet valves per cylinder Z1 to Z4.
  • the cylinder head 2 is in Fig. 1 shown in perspective, wherein the directed to the right Surface of the cylinder head 2 not shown Facing combustion chambers.
  • To improve the clarity are only the corresponding holes 3, 4 for the Valves shown.
  • per cylinder Z1 to Z4 respectively two adjacent holes 3a, 3b and 4a, 4b provided for the exhaust or intake valves.
  • the two exhaust ports per cylinder Z1 to Z4 are respectively separated by a bridge 5 from each other. That via the outlet channels discharged exhaust gas is then in an exhaust manifold 6 collected and delivered to an exhaust pipe, not shown.
  • three component temperature sensors 7a-c are arranged on an end face 8 of the cylinder head 2 for experimental purposes.
  • a component temperature T Bt measured by these component temperature sensors 7a-c can be used to determine the desired temperature T web .
  • the temperature at the web 5 between the two exhaust valves 3a, 3b, hereinafter referred to as web temperature T web is preferably determined.
  • FIG. 2 which shows the cylinder head 2 of the cylinder Z4 viewed from the valve cover side
  • the two component temperature sensors 7a and 7b extend from the end face 8 of the cylinder head 2 into the region of the outermost exhaust valve 3a of the cylinder Z4.
  • This position is on the one hand easily accessible from the outside, on the other hand, it is also as close as possible to the point at which the temperature T web is to be determined.
  • the web temperature T can now be based on a calculation model web are determined with sufficient accuracy.
  • the engine speed N BKM , the fuel injection amount KM, the charge air temperature T Ll and the coolant temperature T Km are used as input variables.
  • the four input variables can either be determined directly by means of sensors, not shown, for example, charge air and coolant temperature, or are already present in a control unit (not shown) as calculated quantities, for example the fuel injection quantity. If in each case the current engine speed N BKM is used as the input variable, then this can also be determined directly with the aid of a sensor.
  • the control unit provides a time-averaged engine speed signal.
  • the weighting factors k1 to k8 are dependent on the respective configuration of the internal combustion engine 1. For a given internal combustion engine 1, the determination of these weighting factors preferably takes place with the aid of a mathematical identification method. For this purpose, the web temperature T web is measured on the engine test bench or in the vehicle in addition to the component temperature T Bt and the other input variables, so that the weighting factors k1 to k8 can be adapted to the measured values.
  • the method according to the invention is a very simple method, since the necessary input variables are already available in the control units of modern internal combustion engines 1. Thus, in addition, only a component temperature sensor 7 is necessary whose positioning can be optimized in terms of simple construction and the greatest possible proximity to the point at which the temperature T web is to be determined.
  • the temperature at any other points of the internal combustion engine 1 are determined accordingly. Preferably, these are locations that are difficult to access from the outside by means of a sensor.
  • the thus determined web temperature T web is preferably used in turn as input for the engine control. On the one hand, it provides information about the current combustion chamber temperatures. On the other hand can be done on the basis of this web temperature T web, for example, a control of the cooling capacity, which operates conventionally on the basis of a coolant temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine. Insbesondere die Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventilen einer Brennkraftmaschine kann im Betrieb nur mit sehr hohem Aufwand gemessen werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Temperatur an einer leichter zugänglichen Stelle der Brennkraftmaschine zu messen und die Stegtemperatur mit Hilfe eines Rechenmodells basierend auf der Motordrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge, der Ladelufttemperatur und der Kühlwassertemperatur zu ermitteln. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 beziehungsweise 5.
Die Anforderungen an ein modernes Motormanagement werden im Hinblick auf Verbrauch, Leistung, Emissionen und auch aufgrund der Wettbewerbssituation immer größer. Ein Baustein, der zur Verbesserung bzw. Optimierung all dieser Disziplinen speziell beim Dieselmotor führt, ist das sogenannte Motorwärmemanagement. Ein Ziel hierbei ist, den Motor schnellstmöglich auf eine gewünschte Solltemperatur aufzuheizen. Darüber hinaus soll im weiteren Betrieb eine höchst zulässige Betriebstemperatur nicht überschritten werden.
Hierzu ist die Kenntnis einer Temperatur an einer speziellen Position im Zylinderkopf von großer Bedeutung. Insbesondere die Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventile der Brennkraftmaschine ist von besonderem Interesse. Aus konstruktiven Gründen ist es nicht möglich, diese Temperatur serientauglich sensortechnisch direkt zu erfassen.
Aus der DE 40 14 966 A1 ist ein Motordiagnoseverfahren bekannt, bei dem die Brennraumtempeatur indirekt bestimmt wird. Hierzu wird eine als Sensorelement ausgebildete Glühkerze verwendet. Dazu wird der temperaturabhängige Innenwiderstand der Glühkerze beziehungsweise des Glühfadens ausgewertet und daraus die Brennraumtemperatur ermittelt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Temperatur an einer schwer zugänglichen Stelle einer Brennkraftmaschine mit geringem zusätzlichen Bauaufwand auf einfache Art und Weise zu ermittelt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise 5 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Temperaturen an schwer zugänglichen Stellen einer Brennkraftmaschine auf einfache Art und Weise zu ermitteln. Hierzu wird ein Sensor zur Ermittlung einer Bauteiletemperatur an einer konstruktiv leichter zugänglichen Stelle angeordnet. Weiterhin wird auf Basis der so ermittelten Bauteiletemperatur und weiterer Eingangsgrößen die Temperatur an der schwer zugänglichen Stelle ermittelt. Als weitere Eingangsgrößen werden zumindest die Motordrehzahl, die Kraftstoffeinspritzmenge, die Ladelufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur herangezogen. Diese werden entweder direkt über Sensoren ermittelt oder liegen im Steuergerät der Brennkraftmaschine bereits als berechnete Größen vor. Durch diese Vorrichtung lässt sich die Temperatur an schwer zugänglichen Stellen der Brennkraftmaschine ohne größere bauliche Maßnahmen ermitteln.
Der Sensor zur Ermittlung der Bauteiletemperatur wird bevorzugt an einer von außen zugänglichen Position angeordnet. Dies hat den Vorteil der leichten elektrischen Kontaktierung und der Möglichkeit zum Austausch des Sensors.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventile der Brennkraftmaschine verwendet. Diese Temperatur ist von großer Bedeutung, da dieses Bauteil zum einen thermisch hoch belastet ist und zum anderen die Materialstärke an dieser Stelle relativ gering ist. Außerdem kann die so ermittelte Temperatur als Eingangsgröße für die Motorsteuerung verwendet werden.
Die Formel zur indirekten Berechnung nach Anspruch 7 hat sich in Versuchen als sehr gut geeignet erwiesen. Dabei haben sich die verwendeten Eingangsgrößen Motordrehzahl, Kraftstoffeinspritzmenge, Ladelufttemperatur und Kühlwassertemperatur als notwendig aber auch hinreichend zur Beschreibung der physikalischen Vorgänge herausgestellt. Durch die Verwendung weiterer Eingangsgrößen kann eine verbesserte Genauigkeit der Ermittlung erreicht werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine und
Fig. 2
eine schematische Ansicht des vierten Zylinders von der Ventildeckelseite aus betrachtet.
Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Vierzylinder-Brennkraftmaschine weist jeweils zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinder Z1 bis Z4 auf. Der Zylinderkopf 2 ist in Fig. 1 perspektivisch dargestellt, wobei die nach rechts gerichtete Fläche des Zylinderkopfes 2 den nicht dargestellten Brennräumen zugewandt ist. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind lediglich die entsprechenden Bohrungen 3, 4 für die Ventile dargestellt. Hierbei sind pro Zylinder Z1 bis Z4 jeweils zwei benachbarte Bohrungen 3a, 3b beziehungsweise 4a, 4b für die Auslass- beziehungsweise Einlassventile vorgesehen. Die beiden Auslasskanäle pro Zylinder Z1 bis Z4 werden jeweils durch einen Steg 5 voneinander getrennt. Das über die Auslasskanäle abgeführte Abgas wird anschließend in einem Abgaskrümmer 6 gesammelt und an eine nicht dargestellte Abgasleitung abgegeben.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zu Versuchszwecken drei Bauteiltemperatursensoren 7a-c an einer Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 angeordnet. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Stelle, an der indirekt eine Temperatur ermittelt werden soll, kann eine von diesen Bauteiltemperatursensoren 7a-c gemessene Bauteiletemperatur TBt zur Ermittlung der gewünschten Temperatur Tsteg verwendet werden. Erfindungsgemäß wird bevorzugt die Temperatur am Steg 5 zwischen den beiden Auslassventilen 3a, 3b, im folgenden als Stegtemperatur Tsteg bezeichnet, ermittelt.
Wie aus Fig. 2, die den Zylinderkopf 2 des Zylinders Z4 von der Ventildeckelseite aus betrachtet zeigt, zu entnehmen ist erstrecken sich die beiden Bauteiletemperatursensoren 7a und 7b von der Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 bis in den Bereich des äußersten Auslassventiles 3a des Zylinders Z4. Diese Position ist einerseits von außen gut zugänglich, anderseits liegt sie auch möglichst nahe an der Stelle, an der die Temperatur Tsteg ermittelt werden soll. Die Anordnung eines Temperatursensors direkt im Bereich des Steges 5 wäre hingegen konstruktiv sehr aufwendig.
Ausgehend von der gemessenen Bauteiletemperatur TBt kann nun anhand eines Rechenmodells die Stegtemperatur Tsteg mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Für diese Berechnung werden die Motordrehzahl NBKM, die Kraftstoffeinspritzmenge KM, die Ladelufttemperatur TLl und die Kühlmitteltemperatur TKm als Eingangsgrößen herangezogen. Durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass diese vier Eingangsgrößen zusammen mit der gemessenen Bauteiletemperatur TBt die physikalischen Vorgänge im Brennraum und damit die Temperaturänderung am Steg 5 ausreichend genau beschreiben. Wird eine höhere Genauigkeit benötigt, so können noch weitere Eingangsgrößen verwendet werden. Die vier Eingangsgrößen können entweder direkt mittels nicht dargestellter Sensoren ermittelt werden, zum Beispiel Ladeluft- und Kühlmitteltemperatur, oder liegen bereits in einem nicht gezeigten Steuergerät als berechnete Größen vor, zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzmenge. Wird jeweils die aktuelle Motordrehzahl NBKM als Eingangsgröße verwendet, so kann auch diese direkt mit Hilfe eines Sensors ermittelt werden. Vorzugsweise wird jedoch vom Steuergerät ein zeitlich gemitteltes Motordrehzahlsignal bereitgestellt.
Die Ermittlung der Stegtemperatur Tsteg erfolgt ausgehend von der gemessenen Bauteiletemperatur TBt mit Hilfe eines funktionalen Zusammenhangs, wie er beispielsweise in der folgenden Gleichung dargestellt ist:
Figure 00050001
mit
  • (Tsteg) = Temperatur am Steg 5
  • (TBt) = gemessene Bauteiletemperatur
  • (NBKM) = Motordrehzahl
  • (KM) = Kraftstoffeinspritzmenge
  • (TKw) = Kühlwassertemperatur
  • (TLl) = Ladelufttemperatur
  • (k1) bis (k8) = Konstanten
    • Die Gewichtungsfaktoren k1 bis k8 sind abhängig von der jeweiligen Konfiguration der Brennkraftmaschine 1. Für eine gegebene Brennkraftmaschine 1 erfolgt die Bestimmung dieser Gewichtungsfaktoren bevorzugt mit Hilfe eines mathematischen Identifikationsverfahrens. Hierzu werden auf dem Motorenprüfstand oder im Fahrzeug neben der Bauteiletemperatur TBt und den weiteren Eingangsgrößen auch die Stegtemperatur Tsteg gemessenen, so dass eine Anpassung der Gewichtungsfaktoren k1 bis k8 an die Messwerte erfolgen kann.
    Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein sehr einfaches Verfahren, da die notwendigen Eingangsgrößen in den Steuergeräten moderner Brennkraftmaschinen 1 bereits verfügbar sind. So ist zusätzlich nur noch ein Bauteiletemperatursensor 7 notwendig, dessen Positionierung hinsichtlich einfacher Konstruktion und möglichst großer Nähe zur Stelle, an der die Temperatur Tsteg ermittelt werden soll, optimiert werden kann.
    Neben der bisher beschriebenen Ermittlung der Stegtemperatur Tsteg kann entsprechend natürlich auch die Temperatur an beliebig anderen Stellen der Brennkraftmaschine 1 ermittelt werden. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Stellen, die von außen mit Hilfe eines Sensors nur schlecht zugänglich sind.
    Die so ermittelte Stegtemperatur Tsteg wird vorzugsweise wiederum als Eingangsgröße für die Motorsteuerung eingesetzt. Sie gibt zum einen Kenntnisse über die aktuelle Brennraumtemperaturen. Zum anderen kann auf der Basis dieser Stegtemperatur Tsteg zum Beispiel eine Regelung der Kühlleistung erfolgen, die herkömmlich auf der Basis einer Kühlmitteltemperatur arbeitet.

    Claims (9)

    1. Vorrichtung zur indirekten Bestimmung einer Temperatur (Tsteg) an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine (1),
      dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (7) zur Messung einer Bauteiletemperatur (TBt) an der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, dass weitere Sensoren zur direkten oder indirekten Erfassung der Motordrehzahl (NBKM), der Kraftstoffeinspritzmenge (KM), der Ladelufttemperatur (TLl) und der Kühlwassertemperatur (TKw) vorgesehen sind, und dass ein Steuergerät zur Ermittlung der Temperatur (Tsteg) an der vorgegebenen Stelle aus der Bauteiletemperatur (TBt) und den weiteren Eingangsgrößen (NBKM, KM, TLl, TKw) vorgesehen ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) an einer von außen zugänglichen Stelle der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) an der Stirnwand (8) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät die Temperatur (Tsteg) an einem Steg (5) zwischen zwei Auslassventilen (3a, 3b) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt.
    5. Verfahren zur indirekten Bestimmung einer Temperatur (Tsteg) an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine (1),
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Bauteiletemperatur (TBt) an der Brennkraftmaschine (1) gemessen wird, dass weiterhin die Motordrehzahl (NBKM), die Kraftstoffeinspritzmenge (KM), die Ladelufttemperatur (TLl) und die Kühlwassertemperatur (TKw) direkt oder indirekt ermittelt werden, und dass in einem Steuergerät aus der Bauteiletemperatur (TBt), der Motordrehzahl (NBKM), der Kraftstoffeinspritzmenge (KM), der Ladelufttemperatur (TLl) und der Kühlwassertemperatur (TKw) die Temperatur (Tsteg) an der vorgegebenen Stelle berechnet wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass als Motordrehzahl (NBKM) ein zeitlich gemittelter Wert verwendet wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tsteg) anhand folgender Formel berechnet wird,
      Figure 00080001
      mit
      (Tsteg) = Temperatur an der vorgegebenen Stelle
      (TBt) = Bauteiletemperatur
      (NBKM) = Motordrehzahl
      (KM) = Kraftstoffeinspritzmenge
      (TKw) = Kühlwassertemperatur
      (TLl) = Ladelufttemperatur
      (k1) bis (k8) = Konstanten
    8. Verfahren nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Temperatur (Tsteg) weitere Eingangsgrößen verwendet werden.
    9. Verfahren nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass die indirekt ermittelte Temperatur (Tsteg) als Eingangsgröße für die Motorsteuerung verwendet wird.
    EP02023569A 2001-11-08 2002-10-23 Vorrichtung und Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine Withdrawn EP1310642A1 (de)

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    DE10154484 2001-11-08
    DE10154484A DE10154484A1 (de) 2001-11-08 2001-11-08 Vorrichtung und Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine

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    Publication Number Publication Date
    EP1310642A1 true EP1310642A1 (de) 2003-05-14

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    DE (1) DE10154484A1 (de)

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