WO2007099013A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2007099013A1
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exhaust
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internal combustion
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Tino Arlt
Gerd RÖSEL
Norbert Sieber
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D2200/0804—Estimation of the temperature of the exhaust gas treatment apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for operating an internal combustion engine with at least one Zy ⁇ linder and an exhaust gas tract in which a regulated heated exhaust gas sensor is arranged.
  • a prerequisite for long-term good conversion capability of the catalysts is that no overheating of the catalysts takes place. For this reason, it is necessary, in particular in operating areas of the internal combustion engine, in which a very high power is to be discharged by the internal combustion engine, optionally carry out measures to protect against overheating of the catalyst. For this purpose, the most accurate possible determination of the exhaust gas temperature and / or the component temperature of the catalyst is desirable. From DE 10 2004 033 394 B3 an engine control is known which adjusts 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.
  • the temperature model By means of the temperature model a predicted temperature it ⁇ averages which is established while maintaining the current operating and driving conditions after a longer time for the gas in the tract from ⁇ arranged component.
  • the predicted temperature is the component temperature of the component to be protected, which will set in continuous operation.
  • the engine control 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 gas tract, in which a controllably heatable exhaust gas sensor is arranged.
  • An exhaust gas temperature of an exhaust gas flowing in the exhaust tract is determined as a function of the heating power supplied to the exhaust gas sensor.
  • the invention thus makes use of the realization that exhaust gas sensors regularly re ⁇ a heating device comprising a regulated on ⁇ heat the exhaust gas sensor to a predetermined target value of an exhaust gas sensor temperature during operation of the exhaust gas sensor is carried out.
  • the heating power supplied to the exhaust gas sensor is thus a measure of the exhaust gas temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust gas tract.
  • the exhaust gas temperature ⁇ ture can be determined with sufficient accuracy without the use of an additional temperature sensor.
  • the exhaust gas temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust tract is determined depending on a mass flow flowing through the exhaust tract. In this way, the exhaust gas temperature can be determined ⁇ be particularly precise.
  • the exhaust gas temperature of the exhaust gas flowing in the exhaust gas tract is determined in a quasi-stationary operating state as a function of the heating power supplied to the exhaust gas sensor.
  • the exhaust temperature can be particularly pre- determined ⁇ zie, since an approximately constant heating power is supplied in a quasi-stationary operating state the exhaust gas sensor and a control deviation in the Gere ⁇ heating the exhaust gas sensor are very small.
  • an estimated value of the exhaust gas temperature is dependent on a physical model of the combustion of the exhaust gas
  • Air / fuel mixture and the exhaust tract depending on at least one operating variable of the internal combustion engine, but determined independently of the exhaust gas sensor supplied heating power.
  • Model parameters of the physical model are adjusted as a function of a deviation of the estimated value and the exhaust gas temperature determined by means of the supplied heating power. In this way possible inaccuracies in the physical model can be compensated. This can be particularly done precisely when the determination of the estimated value of the exhaust gas temperature and the heating power supplied by means of the supplied ⁇ takes place determined exhaust gas temperature in the quasi-steady operating state.
  • performing a protection function for a part of the exhaust tract is carried out depending on the lead by means of the heating power supplied ⁇ determined exhaust gas temperature.
  • a component may for example be a catalyst, the is arranged in the exhaust tract. However, it can also be a ⁇ be Kunststoffiges other component of the exhaust tract.
  • Figure 2 is a first block diagram for operating the internal combustion engine
  • FIG. 3 shows a second block diagram for operating the internal combustion engine.
  • 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
  • the cylinder head 3 includes a valvetrain having a gas inlet valve 12 and a gas outlet valve 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, by means of which fresh air can be introduced into the exhaust gas tract 4.
  • 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 then in one or more
  • Actuating signals for controlling the actuators are implemented by means of corre ⁇ sponding actuators.
  • the control device 25 can also be referred to as a device for controlling the internal combustion engine or as a device for operating the internal combustion engine.
  • the sensors are, that detects a pedal position sensor 26, an accelerator pedal position of an accelerator pedal 27, an air mass sensor 28, upstream detected which an air mass flow of the throttle valve 5, a first temperature sensor 32, wel ⁇ cher detects an intake air TIA, an intake manifold pressure sensor 34, which detects an intake manifold pressure in the accumulator 6, a crankshaft angle sensor 36 which generates a Belwellenwinkel detected, which is then assigned a speed N, a second temperature sensor 38 which detects a coolant temperature TCO.
  • a controllably heated exhaust gas probe 42 is provided. It is preferably arranged upstream of the catalytic converter 21 or in the catalytic converter 21 and preferably detects a residual oxygen content of the exhaust gas.
  • the measurement signal is in the ⁇ sem case characteristic of the air / fuel ratio in the combustion chamber of the or of the associated cylinder Z1-Z8 and upstream of the exhaust gas sensor 42 of the exhaust tract before 4 O- xidation of the fuel.
  • the exhaust gas sensor can also there ⁇ be suitable to detect any other gas component such as NOx.
  • 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 ⁇ to be protected construction is part of the exhaust tract 4 of the catalyst 21. It may, however, also be any other component of the exhaust tract 4, such as the turbine 22nd
  • a block Bl comprises a physical model of the internal combustion engine up to the outlet of the combustion chamber of the respective one
  • the model can also be referred to as an observer. It is to form ei ⁇ NEN estimate TEG_ENG_OUT to determine the exhaust gas temperature when flowing out of the combustion chamber.
  • 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 actually generated at the respective spark plug 19 Desired air / fuel ratio LAM_SP, which preferably by means of a Lambda
  • 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 physical model that models to Z8 to input side, the catalytic converter 21 with respect to the Ermit ⁇ stuffs those parts of the exhaust gas tract of the outlet from the combustion chamber of the respective cylinder Zl an estimate TEG_CAT_IN once the exhaust temperature output side of the Catalyst 21.
  • This model can also be used of be an observer of the corresponding route section ⁇ be distinguished.
  • 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 value TEG_ENG_OUT of the exhaust gas temperature when flowing out of the combustion chamber, the rotational speed N, the air mass flow MAF, which may in principle also include the exhaust gas component, the vehicle speed VS, an ambient temperature T_AMB and a turbine power POW_TUR of the turbine.
  • the vehicle speed VS can be determined, for example, as a function of the rotational speed N, the transmission ratio of a transmission of the vehicle in which the internal combustion engine is arranged, and the wheel circumferences of 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 can T_AMB example by means of ei ⁇ nes appropriate ambient temperature sensor to be detected, or also by means of a corresponding physical model to be estimated 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.
  • a block B4 comprises a model, which can also be referred to as an observer, of the catalytic converter 21 with regard to its thermal properties and is designed to determine an estimated value T_CAT of a component temperature 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 value TEG_CAT_IN of the exhaust gas temperature on the inlet side of the catalytic converter 21, which
  • 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 value is carried T_CAT the component temperature of the catalyst 21 corresponding to the entspre ⁇ sponding procedure in the block Bl in terms of determining the estimated value TEG_ENG the exhaust gas temperature 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 value T_CAT of the component temperature or of a component temperature T_CAT_SENS of the catalytic converter 21 determined by means of the heating power supplied to the exhaust gas sensor 42.
  • the component temperature determined by means of the heating power supplied to the exhaust gas sensor is preferred T_CAT_SENS the catalyst 21 in a quasi-stationary Be ⁇ drive state of the internal combustion engine to the actual value T_CAT_AV to ⁇ ordered.
  • the actual value T_CAT of the component temperature of the catalytic converter 21 is preferably assigned the estimated value T_CAT of the component temperature of the catalytic converter 21.
  • 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 the block B8 when a activa ⁇ approximate condition is fulfilled, which may for example be satisfied when the actual value exceeds T_CAT_AV the component temperature of the catalytic converter 21 a threshold THD_CAT_PROT.
  • the threshold may be 920 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 Bauteilschutzstellsig- 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 /.
  • 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 /.
  • a voltage and a current are detected, are considered to Gere ⁇ heating the exhaust gas sensor 42 are needed, by which the exhaust gas sensor is applied to the 42nd
  • the block B12 is designed to determine, depending on the voltage U and the current I, a heating power to P_HEAT, which is supplied to the exhaust gas sensor 42.
  • a block B14 is formed to a means of the gas sensor 42 from ⁇ heating power supplied P_HEAT to determine exhaust gas temperature determined TEG_CAT_IN_SENS input side of the catalyst. This is preferably done in consideration of the exhaust gas sensor 42 heating power supplied P_HEAT, an exhaust gas mass flow MA, and the target value T_SENS_SP the exhaust gas sensor temperature, and preferably also taking into account of a protective cap designs of the exhaust gas sensor, a heat ⁇ gear of the sensor housing of the exhaust gas sensor 42 pipe to the exhaust gas. For this purpose, an appropriate physical model can be stored in the block B14, which is designed for example as obser ⁇ ter.
  • the exhaust gas mass flow MA can preferably be determined as a function of the air mass flow MAF and the desired value LAM_SP of the air / fuel ratio.
  • a block B16 is formed to determine a means of the gas sensor 42 from ⁇ heating power supplied P_HEAT determined component temperature T_CAT_SENS of the catalyst. This takes place analogously to the procedure as already described with reference to block B4, the input variable estimated value TEG_CAT of the exhaust gas temperature on the input side of the catalytic converter
  • the determination of the Abgastemperatu ⁇ takes place ren in blocks B14 and B16 in a quasi-stationary operating state of the internal combustion engine.
  • the physical model of the block B4 for example, depen ⁇ gig of a deviation of the estimated value TEG_CAT_IN the exhaust gas temperature on the input side of the catalyst 21 and with ⁇ means of the exhaust gas sensor 42 heating power supplied P_HEAT determined exhaust gas temperature TEG_CAT_IN_SENS input side of the catalyst to be adjusted 21, as especially its model parameters.

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine hat mindestens einen Zylinder und einen Abgastrakt, in dem ein geregelt beheizbarer Abgassensor angeordnet ist. Eine Abgastemperatur eines in dem Abgastrakt strömenden Abgases wird abhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung (P HEAT) ermittelt.

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 und einem Abgastrakt in dem ein geregelt beheizbarer Abgassensor angeordnet ist.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen 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 Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine entstehen. Zum Anderen sind in Brenn- kraftmaschinen 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 Kata- lysatoren stattfindet. Aus diesem Grund ist es notwendig, insbesondere in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, in denen eine sehr hohe Leistung durch die Brennkraftmaschine abgegeben werden soll, gegebenenfalls Maßnahmen zum Schutz vor einem Überhitzen des Katalysators durchzuführen. Zu die- sem Zweck ist eine möglichst genaue Bestimmung der Abgastemperatur und/oder der Bauteiltemperatur des Katalysators wünschenswert . Aus der DE 10 2004 033 394 B3 ist eine Motorsteuerung bekannt, 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 Abgastemperatur abhängig von der prädizierten Temperatur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich- tung 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, in dem ein geregelt beheizbarer Abgassensor angeordnet ist. Eine Abgastemperatur eines in dem Abgastrakt strömenden Abgases wird abhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung ermittelt .
Die Erfindung nutzt so die Erkenntnis, dass Abgassensoren re¬ gelmäßig eine Heizvorrichtung umfassen die geregelt ein Auf¬ heizen des Abgassensors auf einen vorgegebenen Sollwert einer Abgassensortemperatur während des Betriebs des Abgassensors durchführt. Die dem Abgassensor zugeführte Heizleistung ist somit ein Maß für die Abgastemperatur des in dem Abgastrakt strömenden Abgases . Auf diese Weise kann so die Abgastempera¬ tur ohne Einsatz eines zusätzlichen Temperatursensors mit hinreichender Genauigkeit ermittelt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abgastemperatur des in dem Abgastrakt strömenden Abgases abhängig von einem durch den Abgastrakt strömenden Massen- ström ermittelt. Auf diese Weise kann die Abgastemperatur be¬ sonders präzise ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Abgastemperatur des in dem Abgastrakt strömen- den Abgases in einem quasi-stationären Betriebszustand abhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung ermittelt. Auf diese Weise kann die Abgastemperatur besonders prä¬ zise ermittelt werden, da in einem quasi-stationären Betriebszustand dem Abgassensor eine annähernd konstante Heiz- leistung zugeführt wird und eine Regelabweichung beim gere¬ gelten Beheizen des Abgassensors sehr gering ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Schätzwert der Abgastemperatur abhängig von ei- nem physikalischen Modell der Verbrennung des
Luft/Kraftstoff-Gemisches und des Abgastraktes abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, jedoch unabhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung ermittelt. Es werden Modellparameter des physikalischen Mo- dells abhängig von einer Abweichung des Schätzwertes und der mittels der zugeführten Heizleistung ermittelten Abgastemperatur angepasst. Auf diese Weise können mögliche Ungenauig- keiten in dem physikalischen Modell kompensiert werden. Dies kann besonders präzise dann geschehen, wenn das Ermitteln des Schätzwertes der Abgastemperatur und der mittels der zuge¬ führten Heizleistung ermittelten Abgastemperatur in dem quasi-stationären Betriebszustand erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah- rens erfolgt ein Durchführen einer Schutzfunktion für ein Bauteil des Abgastrakts abhängig von der mittels der zuge¬ führten Heizleistung ermittelten Abgastemperatur. Ein derartiges Bauteil kann beispielsweise ein Katalysator sein, der in dem Abgastrakt angeordnet ist. Es kann jedoch auch ein be¬ liebiges anderes Bauteil des Abgastraktes sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine,
Figur 2 ein erstes Blockschaltbild zum Betreiben der Brennkraftmaschine und
Figur 3 ein zweites Blockschaltbild zum Betreiben der Brenn- kraftmaschine .
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 Motor- block 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, 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 Brennkraftma- schine 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, wel¬ cher eine Ansauglufttemperatur TIA erfasst, ein Saugrohr- drucksensor 34, welcher einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher einen Kur- belwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird, ein zweiter Temperatursensor 38, der eine Kühlmitteltemperatur TCO erfasst.
Ferner ist eine geregelt beheizbare Abgassonde 42 vorgesehen. Sie ist bevorzugt stromaufwärts des Katalysators 21 oder in dem Katalysator 21 angeordnet ist und erfasst bevorzugt einen Restsauerstoffgehalt des Abgases. Das Messsignal ist in die¬ sem Fall charakteristisch für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Brennraum des bzw. der zugeordneten Zylinder Z1-Z8 und stromaufwärts der Abgassonde 42 des Abgastrakts 4 vor der O- xidation des Kraftstoffs. Die Abgassonde kann jedoch auch da¬ zu geeignet sein eine beliebige andere Gaskomponente, wie z.B. NOx zu erfassen.
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.
Anhand des Blockschaltbildes der Figur 2 ist die Funktionali¬ tät der Steuervorrichtung hinsichtlich des Ermitteins eines Schätzwertes der Abgastemperatur und daraus abgeleiteter Schutzmaßnahmen für ein zu schützendes Bauteil des Abgastraktes 4 näher erläutert. Bevorzugt ist das zu schützende Bau¬ teil des Abgastraktes 4 der Katalysator 21. Es kann jedoch auch ein beliebiges anderes Bauteil des Abgastraktes 4 sein, wie zum Beispiel die Turbine 22.
Bevorzugt ist die Funktionalität des Blockschaltbildes der Figur 2 in Form von Programmen in der Steuervorrichtung 25 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 ei¬ nen Schätzwert TEG_ENG_OUT der Abgastemperatur beim Ausströmen aus dem Brennraum zu ermitteln. Die Eingangsgrößen sind die Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, ein Sekundärluftmas- senstrom 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 Kühlmitteltempera¬ tur 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.
Ein Block B2 umfasst ein weiteres physikalisches Modell, das diejenigen Teile des Abgastraktes von dem Auslass aus dem Brennraum des jeweiligen Zylinders Zl bis Z8 bis eingangssei- tig des Katalysators 21 modelliert im Hinblick auf das Ermit¬ teln eines Schätzwertes TEG_CAT_IN der Abgastemperatur ein- gangsseitig des Katalysators 21. Auch dieses Modell kann wie- der als Beobachter des entsprechenden Streckenabschnittes be¬ zeichnet 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 der Schätzwert TEG_ENG_OUT der Abgastemperatur 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.
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 ei¬ nes 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 Eingangs¬ größen Eingangsgrößen des Blockes B2 sein. Das Ermitteln des Schätzwertes TEG_CAT_IN der Abgastemperatur eingangsseitig des Katalysators 21 erfolgt korrespondierend zu der Vorge- hensweise beim Berechnen des Schätzwertes TEG_ENG_OUT der Ab¬ gastemperatur beim Ausströmen aus dem Brennraum gemäß dem Modell des Blocks Bl . Durch das Modell des Blockes B2 wird so¬ mit der thermische Einfluss der in dem Streckenbereich von dem Auslass des Brennraums bis zu dem einlassseitigen Bereich des Katalysators 21 befindlichen Bauteile des Abgastrakts 4 auf das in diesem strömende Abgas berücksichtigt.
Ein Block B4 umfasst ein Modell, das auch als Beobachter be- zeichnet werden kann, des Katalysators 21 hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften und ist dazu ausgebildet abhängig von den Eingangsgrößen des Blocks B4 einen Schätzwert T_CAT einer Bauteiltemperatur des Katalysators 21 zu ermitteln. Die Eingangsgrößen des Blocks B4 sind der Schätzwert TEG_CAT_IN der Abgastemperatur eingangsseitig des Katalysators 21, die
Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, die Fahrzeuggeschwindigkeit VS, die Umgebungstemperatur T_AMB und das Soll- Luft/Kraftstoff-Verhältnis LAM_SP, das als bevorzugte Stell¬ größe im Rahmen der Schutzmaßnahmen zum Schützen des Kataly- sators 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 des Schätzwertes T_CAT der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 erfolgt korrespondierend zu dem entspre¬ chenden Vorgehen in dem Block Bl hinsichtlich des Ermitteins des Schätzwertes TEG_ENG der Abgastemperatur 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 dem Schätzwert T_CAT der Bauteiltemperatur oder einer mittels der dem Abgassensor 42 zugeführten Heizleistung ermittelten Bauteiltemperatur T_CAT_SENS des Katalysators 21.
Bevorzugt wird in dem Block B6 die mittels der dem Abgassen¬ sor zugeführten Heizleistung ermittelten Bauteiltemperatur T_CAT_SENS des Katalysators 21 in einem quasi-stationären Be¬ triebszustand der Brennkraftmaschine dem Istwert T_CAT_AV zu¬ geordnet. Außerhalb des quasi-stationären Betriebszustandes wird dem Istwert T_CAT der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 bevorzugt der Schätzwert T_CAT der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 zugeordnet. Alternativ kann jedoch auch grundsätzlich entweder der Schätzwert T_CAT der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 oder die mittels der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung ermittelten Bauteiltemperatur T_CAT_SENS des Katalysators 21 unabhängig von dem Betriebszu¬ stand der Brennkraftmaschine zugeordnet werden.
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 Blocks B8, wenn eine Aktivie¬ rungsbedingung erfüllt ist, die beispielsweise erfüllt sein kann, wenn der Istwert T_CAT_AV der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 einen Schwellenwert THD_CAT_PROT überschreitet. Der Schwellenwert kann beispielsweise bei 920 Grad Celsius liegen. Der Maximalwert T_CAT_MAX der Bauteiltemperatur des Katalysators 21 kann beispielsweise bei 950 Grad Celsius lie¬ gen .
Bevorzugt ist der Regler als I-Regler ausgebildet. 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. Ein weiteres Blockdiagramm, dessen Funktionalität in Form eines Programms in der Steuervorrichtung 25 gespeichert ist und während des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet wird, ist anhand der Figur 3 näher erläutert. In einem Block B12 werden eine Spannung und ein Strom erfasst, die zum gere¬ gelten Beheizen des Abgassensors 42 benötigt werden und mit denen der Abgassensor 42 beaufschlagt wird. Darüber hinaus ist der Block B12 dazu ausgebildet abhängig von der Spannung U und dem Strom I eine Heizleistung zu P_HEAT ermitteln, die dem Abgassensor 42 zugeführt wird.
Ein Block B14 ist dazu ausgebildet eine mittels der dem Ab¬ gassensor 42 zugeführten Heizleistung P_HEAT ermittelten Ab- gastemperatur TEG_CAT_IN_SENS eingangsseitig des Katalysators zu ermitteln. Dies erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung der den Abgassensor 42 zugeführten Heizleistung P_HEAT, einem Abgasmassenstrom MA, und dem Sollwert T_SENS_SP der Abgassensortemperatur und bevorzugt unter weiterer Berücksichtigung eines Schutzkappendesigns des Abgassensor, einem Wärmeüber¬ gang von dem Sensorgehäuse des Abgassensor 42 auf das Abgas- rohr . Dazu kann ein entsprechendes physikalisches Modell in dem Block B14 abgelegt sein, das beispielsweise als Beobach¬ ter ausgeführt ist.
Der Abgasmassenstrom MA kann bevorzugt abhängig von dem Luftmassenstrom MAF und dem Sollwert LAM_SP des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses ermittelt werden.
Ein Block B16 ist dazu ausgebildet eine mittels der dem Ab¬ gassensor 42 zugeführten Heizleistung P_HEAT ermittelten Bauteiltemperatur T_CAT_SENS des Katalysators zu ermitteln. Dies erfolgt analog zu dem Vorgehen wie dies anhand des Blocks B4 bereits beschrieben wurde, wobei die Eingangsgröße Schätzwert TEG_CAT der Abgastemperatur eingangsseitig des Katalysators
21 ersetzt ist durch die mittels der dem Abgassensor 42 zugeführten Heizleistung P_HEAT ermittelten Abgastemperatur TEG_CAT_IN_SENS eingangsseitig des Katalysators 21. Besonders bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Abgastemperatu¬ ren in Blöcken B14 und B16 in einem quasi-stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus kann beispielsweise das physikalische Modell des Blocks B4 abhän¬ gig von einer Abweichung des Schätzwertes TEG_CAT_IN der Abgastemperatur eingangsseitig des Katalysators 21 und der mit¬ tels der dem Abgassensor 42 zugeführten Heizleistung P_HEAT ermittelten Abgastemperatur TEG_CAT_IN_SENS eingangsseitig des Katalysators 21 angepasst werden, so insbesondere dessen Modellparameter. Dies erfolgt auch bevorzugt unter Zuhilfe¬ nahme von Messdaten, die in dem quasi-stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfasst werden. Alternativ kann jedoch auch entsprechend das physikalische Modell des Blocks B2 entsprechend angepasst werden. Auf diese Weise kann so oh¬ ne eine zusätzliche Notwendigkeit eines Einsatzes eines extra Temperatursensors in dem Abgastrakt das jeweilige physikali¬ sche Modell zum Ermitteln der Schätzwerte der Abgastemperatur oder der Bauteiltemperatur angepasst werden und somit dann die Präzision beim Ermitteln der Schätzwerte erhöht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Zl bis Z8) und einem Abgastrakt (4), in dem ein geregelt beheizbarer Abgassensor (42) angeordnet ist, bei dem eine Abgastemperatur eines in dem Abgastrakt (4) strömenden Abgases abhängig von der dem Abgassensor (42) zugeführten Heizleistung (P_HEAT) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abgastemperatur des in dem Abgastrakt (4) strömenden Abgases abhängig von einem durch den Abgastrakt (4) strömenden Massenstrom ermittelt wird .
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Abgastemperatur des in dem Abgastrakt (4) strömenden Abgases in einem quasi-stationären Betriebszustand abhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung (P_HEAT) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Schätzwert der Abgastemperatur abhängig von einem physikalischen Modell der Verbrennung des Luft/Kraftstoff- Gemisches und des Abgastraktes (4) abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, jedoch unabhängig von der dem Abgassensor (42) zugeführten Heizleistung (P_HEAT) ermittelt wird, und Modellparameter des physikali¬ schen Modells abhängig von einer Abweichung des Schätzwertes und der mittels der zugeführten Heizleistung (P_HEAT) ermit- telten Abgastemperatur angepasst werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Durchführen einer Schutzfunktion für ein Bauteil des Abgastrakts (4) abhängig von der mittels der zugeführten Heiz- leistung (P_HEAT) ermittelten Abgastemperatur erfolgt.
6. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Zl bis Z8) und einem Abgastrakt (4), in dem ein geregelt beheizbarer Abgassensor (42) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist eine Abgastemperatur eines in dem Abgastrakt (4) strömenden Abgases abhängig von der dem Abgassensor zugeführten Heizleistung (P_HEAT) zu ermitteln.
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