WO2007093501A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Gerhard Haft
Markus Mantei
Jens Thude
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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for operating an internal combustion engine with at least one Zy ⁇ relieving, in particular a plurality of cylinders, and an exhaust gas tract, which comprises a component to be protected.
  • the component to be protected may be, for example, a catalyst which is arranged in the exhaust gas tract.
  • DE 10 2004 033 394 B3 discloses an engine control which sets an exhaust gas temperature via the air / fuel mixture and which comprises a temperature model which calculates the temperature for a component to be protected in the exhaust gas tract.
  • a predicted temperature is determined for the component arranged in the ab ⁇ gas Track, which sets itself while maintaining the current operating and driving conditions after a long time.
  • the predicted temperature is the component temperature of the component to be protected, which will set in continuous operation.
  • the engine control system regulates the exhaust gas temperature depending on the predicted temperature.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for operating an internal combustion engine which is simple and reliable.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for operating an internal combustion engine having at least one cylinder and an exhaust tract, which comprises a component to be protected.
  • the internal combustion engine also includes a plurality of cylinders.
  • the collapsing member to be protected is preferably a catalyst in the exhaust gas tract ⁇ , but it may also be any other component of the exhaust gas tract, such as a turbine to be a Abgastur ⁇ boladers.
  • An estimated dynamic component temperature of the component to be protected is dependent on at least one 200523255
  • ⁇ protect an estimated stationary component temperature of the component is determined as a function of the at least one mixing operation ⁇ size of the internal combustion engine without consideration of the dyna ⁇ characteristics of the system.
  • the route designates that part of the internal combustion engine which is relevant for determining the estimated dynamic or stationary component temperature with regard to the at least one operating variable.
  • a corresponding physical model is preferably provided, which may also be referred to as an observer.
  • the estimated dynamic component temperature is thus representative of a currently actual component temperature of the component to be protected, while the estimated steady-state component temperature is representative of the component temperature, which under stationary conditions based on the value of at least one operating large, for determining the estimated stationary component temperature would be stationary.
  • An actual value of the component temperature of the component to be protected is determined as a function of the estimated dynamic and stationary component temperature of the component to be protected. Protective measures for the component to be protected are carried out depending on the actual value of the component temperature of the component to be protected. 200523255
  • a value range between the dynamic and the stationary component temperature can be suitably assigned to the actual value depending on the current operating mode and thus a particular one for the respective mode of operation suitable Bewer ⁇ processing of the protective measures to be carried out depending on the actual value done.
  • a steady-state characteristic value depends is influenced of the component to be protected to the actual value of the component temperature of at least one of Be ⁇ operating variable of the internal combustion engine is determined and, depending on the steady-state characteristic of a type of the assignment of the ge ⁇ estimated dynamic and stationary component temperature ,
  • estimated dynamic component temperature of the component to be protected is used.
  • Fertil According to a further advantageous embodiment of the inventions is the steady-state characteristic value a gradient of the ge ⁇ estimated dynamic component temperature of the component to be protected.
  • the stationarity parameter can be calculated particularly easily and with sufficient precision from already determined variables.
  • the steady-state characteristic value is a difference between the estimated ge ⁇ dynamic and stationary component temperature of the component to be protected.
  • the statusarity characteristic value can be calculated particularly easily and with sufficient precision from already determined variables.
  • the stationarity characteristic value is a gradient of a difference of the estimated dynamic and stationary component temperature of the component to be protected. In this way, the stationarity characteristic can be determined particularly precisely who ⁇ .
  • FIG 1 shows an internal combustion engine
  • Figure 2 is a block diagram for operating the internal combustion engine. 200523255
  • An internal combustion engine (1) comprises an intake section 1, an engine block 2, a cylinder head 3 and an exhaust manifold 4.
  • the intake 1 preferably comprises a throttle ⁇ flap 5, further comprising a manifold 6 and an intake manifold 7, through to a cylinder Zl an inlet channel is guided in the engine block 2.
  • the engine block 2 further includes a crankshaft 8, which is coupled via a connecting rod 10 with the Kol ⁇ ben 11 of the cylinder Zl.
  • the cylinder head 3 includes a valve gear with a gas ⁇ inlet valve 12 and a gas. 13
  • the cylinder head 3 further includes an injection valve 18 and a spark plug 19.
  • the injection valve 18 may also be arranged in the intake manifold 7.
  • the injection valve 18 is part of an injection system, which also includes a fuel supply device and a control for the injection valve 18 and preferably also a fuel pump.
  • the spark plug 19 is part of an ignition system, which also includes a drive for the spark plug 19.
  • a catalyst 21 is arranged, which is preferably designed as a three-way catalyst.
  • the catalyst 21 may be formed as a NOx catalyst.
  • a turbine 22 of an exhaust-gas turbocharger which drives a compressor 23 in the intake tract 1
  • a secondary air blowing device is preferably present, 200523255
  • the internal combustion engine comprises a plurality of cylinders Z1-Z8, which may be divided into a plurality of groups, to which, if appropriate, a respective exhaust gas tract may be associated.
  • a control device 25 is provided which is associated with sensors which detect different measured variables and in each case determine the value of the measured variable. Operating variables include not only the measured variables but also derived from these variables. The control device 25 determines dependent on at least one of the measured variables manipulated variables, which are then converted into one or more control signals for controlling the actuators by means of corresponding actuators.
  • the control device 25 may also be referred to as a device for controlling the internal combustion engine or as an apparatus for operating the internal combustion engine.
  • the sensors are a pedal position sensor 26, which detects an accelerator pedal position of an accelerator pedal 27, a Heilmas ⁇ sensensor 28, which detects an air mass flow upstream of the throttle valve 5, a first temperature sensor 32, which detects an intake air temperature TIA, a Saugrohr- pressure sensor 34, which an intake manifold pressure in the accumulator 6 detects, a crankshaft angle sensor 36 which detects a crankshaft angle, which is then assigned a rotational speed N, a second temperature sensor 38 which detects a coolant temperature TCO.
  • an exhaust gas probe 42 is provided which is arranged upstream of the catalytic converter 21 or in the catalytic converter 21 and which detects a residual oxygen content of the exhaust gas and whose measurement signal is characteristic for the exhaust gas 200523255
  • any subset of said sensors may be present, or additional sensors may be present.
  • a sensor for detecting a vehicle speed VS can also be provided.
  • the actuators are, for example, the throttle valve 5, the gas inlet and gas outlet valves 12, 13, the injection valve 18, the spark plug 19 or the turbine 22.
  • the actuators and sensors are shown in particular with respect to the cylinder Zl in Figure 1.
  • the other cylinders are also preferably associated with corresponding actuators and possibly sensors.
  • an injection valve 18 and a spark plug 19 are assigned to each cylinder.
  • the control device 25 preferably comprises a lambda controller which is part of a lambda control.
  • theNATali ⁇ ity of the control device 25 is explained in more detail with regard to the implementation of protective measures for a protected component of the exhaust ⁇ tract.
  • the ⁇ to be protected construction is part of the exhaust tract 4 of the catalyst 21.
  • it can also be any other component of the exhaust gas tract, such as the turbine 22nd
  • a block Bl includes a physical model of the internal combustion engine up to the outlet of the combustion chamber of the respective cylinder Z1 to Z8 in the exhaust gas tract 4.
  • the model can also be referred to as an observer. It is designed to determine an estimated dynamic exhaust gas temperature TEG_ENG_OUT_DYN when flowing out of the combustion chamber and an estimated steady exhaust gas temperature TEG_ENG_OUT_ST when flowing out of the combustion chamber as a function of its input variables.
  • the input variables are the rotational speed N, the air mass flow MAF, a secondary air mass flow SAF, which can be supplied to the exhaust gas tract 4 via the secondary air injection device, an actual firing angle IGA_AV, in which the
  • Spark is generated at the respective spark plug 19, a target air / fuel ratio LAM_SP, which is preferably to be adjusted by means of a lambda control in the respective cylinders Zl to Z8 of the internal combustion engine, thedemit- teltemperatur TCO and the intake air temperature TIA.
  • LAM_SP target air / fuel ratio
  • Input variables of block Bl can also be a subset or additional of the listed operating variables.
  • an actual air / fuel ratio may also be an input quantity of the block Bl, which is derived from the measurement signal of the exhaust gas probe 42.
  • a desired ignition angle can also be the input variable of the block B1.
  • a block B2 includes another model that those Tei ⁇ le exhaust passageway from the outlet of the combustion chamber of each ⁇ hereby cylinder Zl to Z8 to the input side of the Katalysa ⁇ gate models 21 with a view to determining the estimated exhaust gas temperature on the input side of the catalyst 21. Also This model can again be referred to as the observer of the corresponding route section.
  • the model of the block B2 may alternatively be divided into several submodels, for example, a first
  • Input variables of the block B2 are the estimated dynamic and stationary exhaust gas temperatures TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST when flowing out of the combustion chamber, the rotational speed N, the mass air flow MAF, which in principle may also include the exhaust gas component, the vehicle speed VS, an ambient temperature T_AMB and a turbine power POW TUR of the turbine , 200523255
  • the vehicle speed VS can be determined, for example, as a function of the rotational speed N, the transmission ratio of a transmission ⁇ bes of the vehicle in which the internal combustion engine is arranged, and the Radumffiten the wheels of the vehicle. However, it may be determined in another manner known to those skilled in the art for these purposes.
  • the ambient temperature T_AMB can be detected, for example, by means of a suitable ambient temperature sensor or can also be estimated by means of a corresponding physical model depending on the intake air temperature.
  • the turbine power POW_TUR can be determined, for example, by means of known maps depending on the rotational speed N and the air mass flow MAF.
  • the model of the block B2 is designed to determine an estimated dynamic and stationary exhaust gas temperature TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST on the input side of the catalytic converter 21.
  • the Ermit ⁇ stuffs the estimated dynamic or the estimated stationary exhaust gas temperature TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST input side of the catalyst 21 is carried kor ⁇ respondierend to the procedure for calculating the ge ⁇ estimated dynamic or steady state exhaust temperature TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST when flowing out of the combustion chamber according to the model of the block Bl .
  • the model of the block B2 is thus taken into account the thermal influence of the components present in the distance range from the outlet of the combustion chamber to the intake-side region of the catalyst 21 of the exhaust tract to be in this exhaust gas flowing ⁇ . 200523255
  • a block B4 comprises a model, which may also be referred to as an observer, of the catalytic converter 21 with regard to its thermal properties and is designed to determine estimated dynamic and stationary component temperatures T_CAT_DYN, T_CAT_ST of the catalytic converter 21 as a function of the input variables of the block B4.
  • the input variables of the block B4 are the estimated dynamic and stationary exhaust gas temperature ⁇ tur TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST crystallizer of catalysis on the input side, the rotational speed N, the mass air flow MAF, the vehicle speed VS, the ambient temperature T_AMB and the target air / fuel ratio LAM_SP that As a preferred manipulated variable in the context of protective measures for protecting the catalyst 21 has a significant influence on the temperature of the catalyst 21 has.
  • Input variables can also be a subset of the mentioned input variables of the block B4 or else additional operating variables of the internal combustion engine.
  • the determination of the estimated dynamic or stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST the catalyst 21 takes place corresponding to the respective Before going ⁇ in the block Bl in terms of determining the estimated dynamic or stationary exhaust gas temperature TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST when flowing out of the combustion chamber.
  • a block B6 is designed to determine an actual value T_CAT_AV of the component temperature of the catalytic converter 21, specifically as a function of the estimated dynamic and stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST of the catalytic converter 21. This is preferably carried out taking into account a stationarity characteristic value that depends is determined by at least one operating ⁇ size of the internal combustion engine.
  • the stationarity characteristic is preferably a gradient of the estimated dy- 200523255
  • T_CAT_DYN namic component temperature
  • T_CAT_DYN namic component temperature
  • T_CAT_ST stationarity
  • optimal protective measures can be performed uniformly in the respective driving situations and unnecessarily strong intervention in the protective measures, in particular an unnecessarily strong enrichment of the air / fuel mixture avoided ⁇ quasi stationary operation of the internal combustion engine ,
  • a control difference gebil ⁇ is forged from a maximum value and the actual value T_CAT_MAX T_CAT_AV the component temperature of the catalyst 21 and serves as a ⁇ input variable into a block B8, which contains a regulator is formed.
  • the controller is used to perform protective measures for the component to be protected, ie in the example of the catalyst ahead ⁇ 21st
  • the controller of block B8 is activated when the estimated dynamic component temperature T_CAT_DYN of the catalytic converter 21 exceeds a threshold value THD_CAT_PROT.
  • the smoldering ⁇ lenwert may for example be at 920 degrees Celsius. Of the 200523255
  • Maximum value T_CAT_MAX of the component temperature of the catalytic converter 21 may, for example, be 950 degrees Celsius.
  • the controller is designed as an I controller.
  • the regulator can also be designed, for example, as P, PI, PID or another regulator known to the person skilled in the art.
  • the controller generates at its output a Bauteiltikstellsig- nal SG_CAT_PROT, Sen, for example, a factor for Beeinflus ⁇ the target air may be / fuel ratio LAM_SP and so to avoid overheating of the catalytic converter 21 to an enrichment fuel mixture can result in the air /.
  • the actual value T_CAT_AV of the component temperature can also be assigned either the estimated dynamic or stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST or, depending on the driving situation, an average of the estimated dynamic and stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST can be assigned.
  • the stationarity characteristic value can also be determined, for example, from a difference of the estimated dynamic and stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST.
  • the steady-state characteristic value can for example, from egg ⁇ nem gradient of the difference between the estimated dynamic and stationary component temperature T_CAT_DYN, T_CAT_ST be determined. However, it can also be determined in a different way, such as depending on a pedal ⁇ value and / or a torque request and / or a speed.

Abstract

Eine Brennkraftmaschine hat mindestens einen Zylinder und einen Abgastrakt, der ein zu schützendes Bauteil umfasst. Eine geschätzte dynamische Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils wird abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Strecke ermittelt. Eine geschätzte stationäre Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils wird abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ohne Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Strecke ermittelt. Ein Istwert der Bauteiltemperatur des Bauteils wird abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils ermittelt. Schutzmaßnahmen für das zu schützende Bauteil werden abhängig von dem Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils durchgeführt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zy¬ linder, insbesondere mehreren Zylindern, und einem Abgastrakt, der ein zu schützendes Bauteil umfasst. Das zu schüt- zende Bauteil kann beispielsweise ein Katalysator sein, der in dem Abgastrakt angeordnet ist.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brenn- kraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich zumindest innerhalb vorgegebener Betriebsbereiche der Brennkraft¬ maschine die Schadstoffemissionen so gering wie möglich zu halten. Dies kann zum Einen dadurch erfolgen, dass die Schadstoffemissionen verringert werden, die während der Verbren- nung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum Anderen sind in Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme im Einsatz, die die Schadstoffemissionen, die während des Verbrennungsprozes¬ ses des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den jeweiligen Zylindern erzeugt werden, in unschädliche Stoffe umwandeln. Zu diesem Zweck werden Katalysatoren eingesetzt, die Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide in unschädliche Stoffe um¬ wandeln können.
Voraussetzung für eine langfristige gute Konvertierungsfähigkeit der Katalysatoren ist, dass keine Überhitzung der Katalysatoren stattfindet. Aus diesem Grund ist es notwendig, insbesondere in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, in denen eine sehr hohe Leistung durch die Brennkraftmaschine 200523255
abgegeben werden soll, gegebenenfalls Maßnahmen zum Schutz vor einem Überhitzen des Katalysators durchzuführen.
Aus der DE 10 2004 033 394 B3 ist eine Motorsteuerung be- kannt, die eine Abgastemperatur über das Luft/Kraftstoff- Gemisch einstellt und die ein Temperaturmodell umfasst, das die Temperatur für ein zu schützendes Bauteil im Abgastrakt berechnet . Mittels des Temperaturmodells wird für das im Ab¬ gastrakt angeordnete Bauteil eine prädizierte Temperatur er- mittelt, die sich unter Beibehaltung der aktuellen Betriebsund Fahrbedingungen nach einer längeren Zeit einstellt. Die prädizierte Temperatur ist die Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils, die sich im Dauerbetrieb einstellen wird. Zum Bauteileschutz regelt die Motorsteuerung die Abgas- temperatur abhängig von der prädizierten Temperatur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die einfach und zuverlässig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einem Abgastrakt, der ein zu schützendes Bauteil umfasst. Regelmäßig umfasst die Brennkraftmaschine auch mehrere Zylinder. Das zu schüt- zende Bauteil ist bevorzugt ein Katalysator in dem Abgas¬ trakt, es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Bauteil des Abgastraktes, wie beispielsweise eine Turbine eines Abgastur¬ boladers sein. Eine geschätzte dynamische Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils wird abhängig von mindestens ei- 200523255
ner Betriebsgröße der Brennkraftmaschine unter Berücksichti¬ gung des dynamischen Verhaltens der Strecke ermittelt. Unter Betriebsgröße sind Messgrößen und auch von diesen abgeleitete Größen der Brennkraftmaschine zu verstehen.
Eine geschätzte stationäre Bauteiltemperatur des zu schützen¬ den Bauteils wird abhängig von der mindestens einen Betriebs¬ größe der Brennkraftmaschine ohne Berücksichtigung des dyna¬ mischen Verhaltens der Strecke ermittelt.
Die Strecke bezeichnet denjenigen Teil der Brennkraftmaschine der für das Ermitteln der geschätzten dynamischen bzw. stationären Bauteiltemperatur im Hinblick auf die mindestens eine Betriebsgröße relevant ist.
Zum Zwecke des Ermitteins der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur ist bevorzugt ein entsprechendes physikalisches Modell vorgesehen, das auch als Beobachter bezeichnet werden kann. Die geschätzte dynamische Bauteiltem- peratur ist somit repräsentativ für eine aktuell tatsächliche Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils, während die geschätzte stationäre Bauteiltemperatur repräsentativ ist für diejenige Bauteiltemperatur, die sich unter stationären Bedingungen bezogen auf den Wert der mindestens einen Betriebs- große, die zum Ermitteln der geschätzten stationären Bauteiltemperatur herangezogen wird, sich stationär einstellen würde.
Ein Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils wird abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils ermittelt. Schutzmaßnahmen für das zu schützende Bauteil werden abhängig von dem Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils durchgeführt. 200523255
Durch das Ermitteln des Istwertes der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils kann je nach aktueller Betriebsweise geeignet dem Istwert ein Wertebereich zwischen der dynamischen und der stationären Bauteiltemperatur zugeordnet werden und so für die jeweilige Betriebsweise eine besonders geeignete Bewer¬ tung der durchzuführenden Schutzmaßnahme abhängig von dem Istwert erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Stationaritäts-Kennwert abhängig von mindestens einer Be¬ triebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt und abhängig von dem Stationaritäts-Kennwert eine Art der Zuordnung der ge¬ schätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils zu dem Istwert der Bauteiltemperatur beeinflusst .
Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass ein Grad an Stationarität des aktuellen Betriebs der Brennkraftmaschine maßgeblich dafür ist, zu welchem Grad die dynamische bezie¬ hungsweise stationäre Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils dem Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils zuzuordnen ist im Sinne einer möglichst effizienten Durchführung der Schutzmaßnahmen. Insbesondere hat sich gezeigt, dass sich in einem quasi stationären Betriebszustand nach einem instationären Betriebszustand die tatsächliche Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils langsam der ge- schätzten stationären Bauteiltemperatur nähert. Insofern ist es gerade in einem solchen quasi stationären Betriebszustand zur Vermeidung einer unnötig ausgeprägten Schutzmaßnahme vorteilhaft, wenn zum Bestimmen des Istwertes maßgeblich die ge- 200523255
schätzte dynamische Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils herangezogen wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- düng ist der Stationaritäts-Kennwert ein Gradient der ge¬ schätzten dynamischen Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils. Auf diese Weise kann der Stationaritäts-Kennwert besonders einfach und mit hinreichender Präzision aus bereits ermittelten Größen berechnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stationaritäts-Kennwert eine Differenz der ge¬ schätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils. Auch auf diese Weise kann der Stati- onaritäts-Kennwert besonders einfach und mit hinreichender Präzision aus bereits ermittelten Größen berechnet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stationaritäts-Kennwert ein Gradient einer Dif- ferenz der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils. Auf diese Weise kann der Stationaritäts-Kennwert besonders präzise ermittelt wer¬ den .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine und
Figur 2 ein Blockdiagramm zum Betreiben der Brennkraftmaschine . 200523255
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst vorzugsweise eine Drossel¬ klappe 5, ferner einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Zl über einen Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit dem Kol¬ ben 11 des Zylinders Zl gekoppelt ist.
Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gas¬ einlassventil 12 und einem Gasauslassventil 13.
Der Zylinderkopf 3 umfasst ferner ein Einspritzventil 18 und eine Zündkerze 19. Alternativ kann das Einspritzventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein. Das Einspritzventil 18 ist Teil eines Einspritzsystems, das auch noch eine Kraft- stoffzuführeinrichtung umfasst und eine Ansteuerung für das Einspritzventil 18 und bevorzugt auch eine Kraftstoffpumpe. Die Zündkerze 19 ist Teil eines Zündsystems, das auch noch eine Ansteuerung für die Zündkerze 19 umfasst.
In dem Abgastrakt 4 ist ein Katalysator 21 angeordnet, der bevorzugt als Dreiwegekatalysator ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Katalysator 21 als NOx-Katalysator ausgebildet sein.
Ferner ist bevorzugt in dem Abgastrakt eine Turbine 22 eines Abgasturboladers angeordnet, die einen Verdichter 23 in dem Ansaugtrakt 1 antreibt. Darüber hinaus ist bevorzugt eine nicht dargestellte Sekundärluft-Einblasvorrichtung vorhanden, 200523255
mittels der Frischluft in den Abgastrakt 4 eingebracht werden kann .
Die Brennkraftmaschine umfasst mehrere Zylinder Zl - Z8, die in mehrere Gruppen aufgeteilt sein können, denen gegebenenfalls jeweils ein eigener Abgastrakt zugeordnet sein kann.
Eine Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen. Die Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entspre- chender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine oder als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.
Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 26, welcher eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmas¬ sensensor 28, welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein erster Temperatursensor 32, welcher eine Ansauglufttemperatur TIA erfasst, ein Saugrohr- drucksensor 34, welcher einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird, ein zweiter Temperatursensor 38, der eine Kühlmitteltemperatur TCO erfasst.
Ferner ist eine Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des Katalysators 21 oder in dem Katalysator 21 angeordnet ist und die einen Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal charakteristisch ist für das 200523255
Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Brennraum des bzw. der zu¬ geordneten Zylinder Z1-Z8 und stromaufwärts der Abgassonde 42 des Abgastrakts 4 vor der Oxidation des Kraftstoffs.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein. So kann beispielsweise auch ein Sensor zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindig- keit VS vorgesehen sein.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Einspritzventil 18, die Zündkerze 19 oder die Turbine 22.
Die Stellglieder und Sensoren sind insbesondere im Hinblick auf den Zylinder Zl in der Figur 1 dargestellt. Den weiteren Zylindern sind bevorzugt auch noch entsprechende Stellglieder und ggf. Sensoren zugeordnet. Bevorzugt sind so jedem Zylin- der ein Einspritzventil 18 und eine Zündkerze 19 zugeordnet.
Bevorzugt umfasst die Steuervorrichtung 25 einen Lambdareg- ler, der Teil einer Lambdaregelung ist.
Anhand des Blockschaltbildes der Figur 2 ist die Funktionali¬ tät der Steuervorrichtung 25 hinsichtlich des Durchführens von Schutzmaßnahmen für ein zu schützendes Bauteil des Abgas¬ trakts näher erläutert. Bevorzugt ist das zu schützende Bau¬ teil des Abgastrakts 4 der Katalysator 21. Es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Bauteil des Abgastraktes sein, wie zum Beispiel die Turbine 22.
Bevorzugt ist die Funktionalität des Blockschaltbildes der Figur 2 in Form von Programmen in der Steuervorrichtung 25 200523255
gespeichert und wird während des Betriebs der Brennkraftma¬ schine in der Steuervorrichtung 25 abgearbeitet.
Ein Block Bl umfasst ein physikalisches Modell der Brenn- kraftmaschine bis zum Auslass des Brennraums des jeweiligen Zylinders Zl bis Z8 in den Abgastrakt 4. Das Modell kann auch als Beobachter bezeichnet werden. Es ist dazu ausgebildet, eine geschätzte dynamische Abgastemperatur TEG_ENG_OUT_DYN beim Ausströmen aus dem Brennraum und eine geschätzte statio- näre Abgastemperatur TEG_ENG_OUT_ST beim Ausströmen aus dem Brennraum abhängig von seinen Eingangsgrößen zu ermitteln. Die Eingangsgrößen sind die Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, ein Sekundärluftmassenstrom SAF, der über die Sekundärluft-Einblasvorrichtung dem Abgastrakt 4 zugeführt werden kann, ein Ist-Zündwinkel IGA_AV, bei dem tatsächlich der
Zündfunke bei der jeweiligen Zündkerze 19 erzeugt wird, ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP, das bevorzugt mittels einer Lambda-Regelung in den jeweiligen Zylindern Zl bis Z8 der Brennkraftmaschine eingestellt werden soll, die Kühlmit- teltemperatur TCO und die Ansauglufttemperatur TIA.
Eingangsgrößen des Blocks Bl können auch eine Untermenge oder zusätzliche der aufgeführten Betriebsgrößen sein. Statt des Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses LAM_SP kann auch ein Ist- Luft/Kraftstoff-Verhältnis Eingangsgröße des Blocks Bl sein, das von dem Messsignal der Abgassonde 42 abgeleitet ist. Statt des Ist-Zündwinkels IGA_AV kann auch ein Soll- Zündwinkel Eingangsgröße des Blocks Bl sein.
Beim Ermitteln der geschätzten dynamischen Abgastemperatur
TEG_ENG_OUT_DYN beim Ausströmen aus dem Brennraum wird in dem Modell die Dynamik der Strecke bezüglich der Eingangsgrößen des Blocks Bl berücksichtigt . Hierbei werden insbesondere die spezifischen Wärmekapazitäten der entsprechenden Elemente der 200523255
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Strecke berücksichtigt und auch Gaslaufzeiten berücksichtigt oder sonstige Verzögerungszeiten berücksichtigt.
Zum Ermitteln der geschätzten stationären Abgastemperatur TEG_ENG_OUT_ST beim Ausströmen aus dem Brennraum werden all diese dynamischen Einflüsse vernachlässigt und es wird somit diejenige sich unter der Annahme von stationären Betriebsbe¬ dingungen bei den Werten der aktuell anliegenden Eingangsgrößen ergebende Abgastemperatur geschätzt.
Ein Block B2 umfasst ein weiteres Modell, das diejenigen Tei¬ le des Abgastraktes von dem Auslass aus dem Brennraum des je¬ weiligen Zylinders Zl bis Z8 bis eingangsseitig des Katalysa¬ tors 21 modelliert im Hinblick auf das Ermitteln geschätzter Abgastemperaturen eingangsseitig des Katalysators 21. Auch dieses Modell kann wieder als Beobachter des entsprechenden Streckenabschnittes bezeichnet werden.
Das Modell des Blockes B2 kann alternativ auch aufgeteilt sein in mehrere Teilmodelle, die beispielsweise ein erstes
Rohrstück des Abgastraktes von dem Auslass aus dem jeweiligen Brennraum hin zu der Turbine, dann die Turbine 22 selbst und schließlich ein weiteres Rohrstück von der Turbine hin zu dem Katalysator 21 repräsentieren.
Eingangsgrößen des Blockes B2 sind die geschätzten dynamischen und stationären Abgastemperaturen TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST beim Ausströmen aus dem Brennraum, die Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, der grundsätzlich auch den Abgasanteil umfassen kann, die Fahrzeuggeschwindigkeit VS, eine Umgebungstemperatur T_AMB und eine Turbinenleistung POW TUR der Turbine. 200523255
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Die Fahrzeuggeschwindigkeit VS kann beispielsweise abhängig von der Drehzahl N, dem Übersetzungsverhältnis eines Getrie¬ bes des Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, und den Radumfängen der Räder des Fahrzeugs ermittelt werden. Sie kann jedoch auf eine andere Art und Weise, die dem Fachmann bekannt ist für diese Zwecke, ermittelt werden.
Die Umgebungstemperatur T_AMB kann beispielsweise mittels eines geeigneten Umgebungstemperatursensors erfasst sein oder auch mittels eines entsprechenden physikalischen Modells abhängig von der Ansauglufttemperatur geschätzt sein. Die Turbinenleistung POW_TUR kann beispielsweise mittels bekannter Kennfelder abhängig von der Drehzahl N und dem Luftmassenstrom MAF ermittelt sein.
Neben diesen Eingangsgrößen des Blockes B2 können auch weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine Eingangsgrößen sein oder es kann auch nur eine Untermenge der genannten Eingangsgrößen Eingangsgrößen des Blockes B2 sein. Das Modell des Blockes B2 ist dazu ausgebildet, eine geschätzte dynamische und stationäre Abgastemperatur TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST eingangsseitig des Katalysators 21 zu ermitteln. Das Ermit¬ teln der geschätzten dynamischen beziehungsweise der geschätzten stationären Abgastemperatur TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST eingangsseitig des Katalysators 21 erfolgt kor¬ respondierend zu der Vorgehensweise beim Berechnen der ge¬ schätzten dynamischen beziehungsweise stationären Abgastemperatur TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST beim Ausströmen aus dem Brennraum gemäß dem Modell des Blocks Bl. Durch das Modell des Blockes B2 wird somit der thermische Einfluss der in dem Streckenbereich von dem Auslass des Brennraums bis zu dem einlassseitigen Bereich des Katalysators 21 befindlichen Bauteile des Abgastrakts auf das in diesem strömende Abgas be¬ rücksichtigt . 200523255
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Ein Block B4 umfasst ein Modell, das auch als Beobachter bezeichnet werden kann, des Katalysators 21 hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften und ist dazu ausgebildet abhängig von den Eingangsgrößen des Blocks B4 geschätzte dynamische und stationäre Bauteiltemperaturen T_CAT_DYN, T_CAT_ST des Katalysators 21 zu ermitteln. Die Eingangsgrößen des Blocks B4 sind die geschätzte dynamisch und stationäre Abgastempera¬ tur TEG_CAT_IN_DYN, TEG_CAT_IN_ST eingangsseitig des Kataly- sators, die Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, die Fahrzeuggeschwindigkeit VS, die Umgebungstemperatur T_AMB und das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP, das als bevorzugte Stellgröße im Rahmen der Schutzmaßnahmen zum Schützen des Katalysators 21 einen maßgeblichen Einfluss auf die Temperatur des Katalysators 21 hat. Eingangsgrößen können auch eine Untermenge der genannten Eingangsgrößen des Blockes B4 oder auch zusätzliche Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sein.
Das Ermitteln der geschätzten dynamischen beziehungsweise stationären Bauteiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST des Katalysators 21 erfolgt korrespondierend zu dem entsprechenden Vor¬ gehen in dem Block Bl hinsichtlich des Ermitteins der geschätzten dynamischen beziehungsweise stationären Abgastemperatur TEG_ENG_OUT_DYN, TEG_ENG_OUT_ST beim Ausströmen aus dem Brennraum.
Ein Block B6 ist dazu ausgebildet, einen Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 zu ermitteln und zwar abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bau- teiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST des Katalysators 21. Dies erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung eines Stationari- täts-Kennwertes, der abhängig von mindestens einer Betriebs¬ größe der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Der Stationari- täts-Kennwert ist bevorzugt ein Gradient der geschätzten dy- 200523255
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namischen Bauteiltemperatur T_CAT_DYN und ist somit repräsentativ für den Grad der Stationarität des aktuellen Fahrbe¬ triebs der Brennkraftmaschine. Die Zuordnung zu dem Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 kann bei- spielsweise mittels eines Kennfeldes abhängig von den ge¬ schätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperaturen T_CAT_DYN, T_CAT_ST und dem Stationarität s-Kennwert erfolgen. Die Zuordnung ist bevorzugt mittels entsprechender Versuche oder Simulationen ermittelt. Bevorzugt korreliert der Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur mit zunehmender Stationarität des Fahrbetriebs stärker zu dem geschätzten dynamischen Bauteiltemperatur T_CAT_DYN des Katalysators 21, während er mit zunehmender Instationarität des Fahrbetriebs zunehmend stär¬ ker zu der geschätzten stationären Bauteiltemperatur T_CAT_ST korreliert. Auf diese Weise hat sich vorteilhaft gezeigt, dass in den jeweiligen Fahrsituationen optimale Schutzmaßnahmen einheitlich durchgeführt werden können und im quasi stationären Betrieb der Brennkraftmaschine ein unnötig starker Eingriff bei den Schutzmaßnahmen, insbesondere ein unnötig starkes Anfetten des Luft/Kraftstoff-Gemisches vermieden wer¬ den kann.
In einem Verknüpfungspunkt Vl wird eine Regeldifferenz gebil¬ det aus einem Maximalwert T_CAT_MAX und dem Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 und dient als Ein¬ gangsgröße in einen Block B8, in dem ein entsprechender Regler ausgebildet ist. Der Regler dient zum Durchführen von Schutzmaßnahmen für das zu schützende Bauteil, also im vor¬ liegenden Beispiel des Katalysators 21.
Aktiviert wird der Regler des Blockes B8, wenn die geschätzte dynamische Bauteiltemperatur T_CAT_DYN des Katalysators 21 einen Schwellenwert THD_CAT_PROT überschreitet . Der Schwel¬ lenwert kann beispielsweise bei 920 Grad Celsius liegen. Der 200523255
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Maximalwert T_CAT_MAX der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 kann beispielsweise bei 950 Grad Celsius liegen.
Bevorzugt ist der Regler als I-Regler ausgebildet. Auf diese Weise kann schwingungsfrei und schnell auf den Maximalwert T_CAT_MAX der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 eingeregelt werden. Der Regler kann beispielsweise auch als P, PI, PID oder ein sonstiger dem Fachmann bekannter Regler ausgebildet sein.
Der Regler erzeugt ausgangsseitig ein Bauteilschutzstellsig- nal SG_CAT_PROT, das beispielsweise ein Faktor zum Beeinflus¬ sen des Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses LAM_SP sein kann und so zum Vermeiden einer Überhitzung des Katalysators 21 zu einer Anfettung des Luft/Kraftstoff-Gemisches führen kann.
Alternativ kann in dem Block B6 dem Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur auch entweder die geschätzte dynamische oder stationäre Bauteiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST zugeordnet werden oder je nach Fahrsituation auch ein Mittelwert aus der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST zugeordnet werden.
Der Stationaritäts-Kennwert kann beispielsweise auch aus ei- ner Differenz der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST ermittelt werden.
Der Stationaritäts-Kennwert kann beispielsweise auch aus ei¬ nem Gradienten der Differenz der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur T_CAT_DYN, T_CAT_ST ermittelt werden. Er kann jedoch auch auf eine andere Art und Weise ermittelt werden, wie beispielsweise abhängig von einem Pedal¬ wert und/oder einem Drehmomentwunsch und/oder einer Drehzahl.

Claims

20052325515Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Zl bis Z8) und einem Abgastrakt (4), der ein zu schützendes Bauteil (21, 22) umfasst, wobei
- eine geschätzte dynamische Bauteiltemperatur des zu schüt¬ zenden Bauteils (21, 22) abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Strecke ermittelt wird, - eine geschätzte stationäre Bauteiltemperatur des zu schüt¬ zenden Bauteils (21, 22) abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ohne Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Strecke ermittelt wird,
- ein Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bau- teils (21, 22) abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils ermittelt wird und
- Schutzmaßnahmen für das zu schützende Bauteil (21, 22) ab¬ hängig von dem Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützen- den Bauteils (21, 22) durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Stationäritäts- Kennwert abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt wird und abhängig von dem Stati- onäritäts-Kennwert eine Art der Zuordnung der geschätzten dy¬ namischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) zu dem Istwert der Bauteiltemperatur beeinflusst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Stationaritäts-
Kennwert ein Gradient der geschätzten dynamischen Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) ist. 200523255
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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Stationari- täts-Kennwert eine Differenz der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Stationaritäts-Kennwert ein Gradient einer Differenz der ge¬ schätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) ist.
6. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Zl bis Z8) und einem Abgastrakt
(4), der ein zu schützendes Bauteil (21, 22) umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum - Ermitteln einer geschätzten dynamischen Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine unter Berücksich¬ tigung des dynamischen Verhaltens der Strecke,
- Ermitteln einer geschätzten stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) abhängig von der mindestens einen Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ohne Berück¬ sichtigung des dynamischen Verhaltens der Strecke,
- Ermitteln eines Istwertes der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) abhängig von der geschätzten dynamischen und stationären Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils und
- Durchführen von Schutzmaßnahmen für das zu schützende Bauteil abhängig von dem Istwert der Bauteiltemperatur des zu schützenden Bauteils (21, 22) .
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