DE10065125A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsprozesses - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird eine Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, bei der der Einfluß der Verdampfung von kondensiertem Wasser im Abgassystem auf die Temperatur berücksichtigt wird und bei der zusätzlich der Abtransport von kondensiertem Wasser durch die Abgasströmung berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsprozesses, insbesondere im Abgassystem eines Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart.

Aus der DE 43 38 342 ist eine Temperaturmodellierung bekannt, die den Einfluß der Verdampfung von Kondenswasser auf die Abgastemperatur berücksichtigt.

Im Rahmen der bekannten Temperaturmodellierung wird die seit dem Start aufintegrierte Kraftstoff- oder Luftmasse mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Solange der Schwellwert nicht erreicht ist, wird ein Flüssigkeitssignal als Indikator für das Auftreten von Kondenswasser im Abgassystem erzeugt. Wasser entsteht bei der Verbrennung und kondensiert im zunächst noch kalten Abgassystem.

Treffen Kondensat-Tröpfchen im Abgasstrom auf die bereits erhitzte Abgassonde, kann diese durch thermische Effekte zerstört werden. Als bekannte Gegenmaßnahme wird die Aufheizung der Abgassonde durch eine elektrische Heizung solange verzögert, bis das Abgassystem kein flüssiges Wasser mehr enthält. Dafür gibt der oben genannte Schwellwert die aufintegrierte Energiemenge an, die für die Verdampfung des Kondenswassers nötig ist.

Als Folge kann bspw. das Einschalten der Abgassondenheizung bis zur Überschreitung des genannten Schwellwertes verzögert werden.

Die Höhe des Schwellwertes wird nach der DE 43 38 342 vergrößert, wenn beim letzten Lauf des Motors das Kondenswasser im Abgassystem nicht vollständig verdampft wurde und somit von einer vergrößerten Kondenswassermenge auszugehen ist. Der Schwellwert wird ebenfalls vergrößert, wenn die Starttemperatur des Motors besonders niedrig ist.

Diese Temperaturmodellierung ermöglicht eine Verzögerung der Nutzung der vollen elektrischen Heizleistung bis das Kondenswasser im Abgassystem verdampft ist.

Bei der bekannten Temperaturmodellierung wird nur der Effekt der Verdampfung des Wasser berücksichtigt.

Dagegen sieht der Gegenstand der vorliegenden Ansprüche eine Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsmotors vor, bei der neben dem Einfluß der Verdampfung zusätzlich der Abtransport von kondensiertem Wasser durch die Abgasströmung berücksichtigt wird.

Die Erfindung berücksichtigt damit, dass im Warmlauf im Abgassystem eine Zwei-Phasenströmung aus Abgas und Kondensat vorliegt. Das Kondensat wird als Wandfilm an der Rohrwand und in der Gassströmung transportiert. Im Leerlauf bilden sich Kondensatansammlungen, die nicht durch den Wandfilm an der Rohrwand transportiert werden. Erst bei Erhöhung des Gasdurchsatzes bei Teillast wird die Kondensatansammlung mitgerissen und als Tropfen im Gasstrom transportiert.

Vorteile

Wenn bei der Temperaturmodellierung nur der Verdampfungseinfluß berücksichtigt wird, wird die elektrische Heizwirkung nicht zu früh, manchmal aber unnötig spät aufgesteuert.

Die erfindungsgemäße Berücksichtigung des Abtransports von Wasser durch die Abgasströmung bei der Temperaturmodellierung erlaubt in diesen Fällen eine schnellere Aufsteuerung der Heizleistung. Daraus resultiert eine frühere Betriebsbereitschaft der Abgassonde und damit ein früherer Übergang von der gesteuerten Kraftstoffzumessung (open loop) nach einem Kaltstart zur geregelten Kraftstoffzumessung (closed loop). Dadurch lassen sich die Abgasemissionen in der Warmlaufphase weiter verringern.

Dieser Vorteil tritt verstärkt bei Abgassystemen auf, bei denen sich konstruktionbedingt größere Wassermengen vor der Abgassonde ansammeln können. Dies ist beispielsweise bei Abgassystemen der Fall, bei denen die Abgassonde (oder mehrere Abgassonden) aufgrund der Temperaturverhältnisse und des verfügbaren Einbauraums in größerem Abstand von den Auslaßventilen angeordnet sind. Wasser kann sich auch bevorzugt in Turboladern, an Flanschen oder an elastischen Rohrteilen des Abgassystems vor der Abgassonde sammeln.

Steuert man bei diesen Randbedingungen die Sondenheizung allein aufgrund von Temperaturmodellen oder der verfügbaren Aufheizenergie, kann die Sondenheizung erst sehr spät eingeschaltet werden, was umgekehrt den Vorteil der erfindungsgemäßen Berücksichtigung von Wassertransporteffekten vergrößert.

Bei Anwendungen, bei denen die Abgasanforderungen eine frühe Beheizung der Abgassonde bedingen, können Ausfälle der Abgassonde durch Keramikbruch als Wasserschlagfolge vermieden werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden weiter unten beschrieben.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Temperaturmodellierung.

Fig. 3 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das an die Temperaturmodellierung nach Fig. 2 anknüpft.

Zur Fig. 1: Der Brennkraftmaschine 100 wird über einen Ansaugtrakt 102 Luft/Kraftstoff-Gemisch zugeführt und die Abgase werden in einen Abgaskanal 104 abgegeben. Im Ansaugtrakt 102 sind - in Stromrichtung der angesaugten Luft gesehen - ein Luftmengenmesser oder Luftmassenmesser 106, beispielsweise ein Heißfilm-Luftmassenmesser, eine Drosselklappe 108 mit einem Sensor 110 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 108 und eine oder mehrere Einspritzdüsen 112 angebracht. Die dargestellte Anordnung der Einspritzdüsen entspricht einer Saugrohreinspritzung. Die Erfindung ist aber auch bei einer Benzindirekteinspritzung verwendbar. Im Abgaskanal 104 sind - in Stromrichtung des Abgases gesehen - eine erste Abgassonde 114, ein Katalysator 116 und eine zweite Abgassonde 118 angeordnet. An der Brennkraftmaschine 100 sind ein Drehzahlsensor 120 und ein Temperatursensor 121 angebracht. Weiterhin besitzt die Brennkraftmaschine 100 Zündkerzen 122 zur Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern. Die Ausgangssignale mL des Luftmengenmessers oder Luftmassenmessers 106, alpha des Sensors 110 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 108, Lambda1 der ersten Abgassonde 114, Lambda2 der zweiten Abgassonde 118, n des Drehzahlsensors 120 und TBKM des Temperatursensors 121 werden einem zentralen Steuergerät 124 über entsprechende Verbindungsleitungen zugeführt. Das Steuergerät 124 wertet die Sensorsignale aus und steuert über weitere Verbindungsleitungen die Einspritzdüse bzw. die Einspritzdüsen 112 und die Zündkerzen 122 an.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Temperaturmodellierung. Am Eingang einer Kennlinie 200 liegt ein Signal mL für den Luftmassenstrom an, das von dem in Fig. 1 dargestellten Sensor 106 ausgegeben wird. Durch einen gestrichelten Pfeil ist angedeutet, daß für die Kennlinie 200 auch andere Eingangssignale in Frage kommen, aus denen die Abgastemperatur abgeschätzt werden kann, beispielsweise die pro Zeiteinheit zugemessene Kraftstoffmenge mK. Dies gilt auch für die anderen Blöcke der Fig. 2, für die der Luftmassenstrom mL ein Eingangssignal darstellt, ebenso für die Fig. 3. In der Kennlinie 200 sind Grundwerte TStat für die Abgastemperatur bei stationären Betriebsbedingungen in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom mL abgelegt. Der Ausgang der Kennlinie 200 ist mit dem Eingang des Filters 206 verbunden.

Ein weiterer Eingang des Filters 206 ist mit einem Ausgang einer Kennlinie 210 verbunden, in der Werte für die Zeitkonstante cAbg des Filters 206 in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom mL abgelegt sind. Am Eingang der Kennlinie 210 liegt ein Signal mL für den Luftmassenstrom an. Am Ausgang des Filters 206 wird ein Signal TAbg für die Abgastemperatur stromauf des Katalysators 116 bereitgestellt. Der Ausgang des Filters 206 ist mit einem Eingang eines Filters 212 verbunden. Ein weiterer Eingang des Filters 212 ist mit einem Ausgang einer Kennlinie 214 verbunden, in der Werte für die Zeitkonstante cKat des Filters 212 in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom mL abgelegt sind. Am Eingang der Kennlinie 214 liegt ein Signal mL für den Luftmassenstrom an. Am Ausgang des Filters 212 wird ein Signal TKat für die Temperatur des Katalysators 116 bereitgestellt.

Sowohl das Filter 206 als auch das Filter 212 besitzen zusätzlich zu den bereits beschriebenen Eingängen noch je einen Steuereingang, über den jeweils eine Begrenzungsfunktion aktiviert werden kann, die das Ausgangssignal des Filters auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt. Die beiden Steuereingänge sind mit je einem Ausgang einer Steuerung 216 verbunden. Die Steuerung 216 besitzt vier Eingänge. An einem ersten Eingang liegt ein Signal TBKM für die Temperatur der Brennkraftmaschine 100 an, an einem zweiten Eingang das Signal mL für den Luftmassenstrom, an einem dritten Eingang ein Signal n für die Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 und an einem vierten Eingang das Signal TKat für die Temperatur des Katalysators 116, das am Ausgang des Filters 212 abgegriffen wird. Die Steuerung 216 ermittelt, ob im Abgaskanal 104 stromauf des Katalysators 116 bzw. im Katalysator 116 mit Kondenswasser zu rechnen ist. Ist stromauf des Katalysators 116 mit Kondenswasser zu rechnen, so gibt die Steuerung 216 ein Begrenzungssignal an das Filter 206 ab. Ist im Katalysator 116 mit Kondenswasser zu rechnen, so gibt die Steuerung 216 ein Begrenzungssignal an das Filter 212 ab.

Dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild liegt folgendes Funktionsprinzip zugrunde:
Mit Hilfe der Kennlinie 200 wird aus dem Signal mL für den Luftmassenstrom ein Grundwert TStat für die Abgastemperatur ermittelt. Der Grundwert TStat gibt die Abgastemperatur stromauf des Katalysators 116 bei stationären Betriebsbedingungen an.

Der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur TAbg stromauf des Katalysators 116 wird durch das Filter 206 nachgebildet. Das Filter 206 ist Üblicherweise als Tiefpaß-Filter ausgelegt, dessen Zeitkonstante cAbg vom Luftmassenstrom mL abhängt. Diese Abhängigkeit ist in der Kennlinie 210 abgelegt. Solange im Abgaskanal 104 stromauf des Katalysators 116 Kondenswasser vorhanden ist, wird die Temperatur dort nicht Über einen Maximalwert von ca. 50 bis 60 Grad Celsius ansteigen. Über einen Steuereingang kann das Filter 206 veranlaßt werden, nur Temperaturwerte auszugeben, die kleiner als der genannte Maximalwert sind. Dies wird immer dann der Fall sein, wenn die Steuerung 216 nach entsprechender Auswertung ihrer Eingangssignale feststellt, daß mit Kondenswasser im Abgaskanal 104 stromauf des Katalysators 116 zu rechnen ist. über den Steuereingang des Filters 206 wird dann die Begrenzung aktiviert, die solange bestehen bleibt, bis nicht mehr mit dem Vorhandensein von Kondenswasser zu rechnen ist. Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktionsweise der Steuerung 216 werden in der Fig. 3 und dem dazugehörigen Text beschrieben.

Die vom Filter 206 ausgegebene Temperatur TAbg kann jeder beliebigen Funktionseinheit zugeführt werden, die diesen Temperaturwert als Eingangsgröße benötigt. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Temperatur TAbg darüber hinaus einem weiteren Filter 212 zugeführt, um auch die Temperatur TKat des Katalysators 116 zu ermitteln. Falls die Temperatur TKat des Katalysators 116 nicht benötigt wird, können das Filter 212 und auch die Kennlinie 214 entfallen. Das Filter 212 ist in der Regel ebenfalls als Tiefpaß-Filter ausgebildet und soll den zeitlichen Verlauf der Erwärmung des Katalysators nachbilden. Das Filter 212 besitzt eine vom Luftmassenstrom mL abhängige Zeitkonstante cKat, die mit Hilfe der Kennlinie 214 ermittelt wird. Auch beim Filter 212 ist eine Begrenzung der ausgegebenen Temperaturwerte auf eine Temperatur von ca. 50 bis 60 Grad Celsius vorgesehen. Diese Begrenzung wird von der Steuerung 216 dann aktiviert, wenn diese feststellt, daß im Katalysator 116 mit Kondenswasser zu rechnen ist. Die von dem Filter 212 ausgegebene Temperatur TKat kann in beliebige Funktionseinheiten eingespeist werden, die diese Temperatur als Eingangsgröße benötigen.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung des internen Aufbaus der Steuerung 216 aus Fig. 2 als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Am Signaleingang eines Integrators 300 liegt das Signal mL für den Luftmassenstrom an. Der Integrator 300 integriert dieses Signal und stellt an seinem Ausgang ein Signal mLI für die integrierte Luftmasse bereit. Über einen Steuereingang kann der Integrator 300 zurückgesetzt werden. Der Steuereingang ist mit dem Ausgang einer Erkennungsstufe 302 verbunden, die erkennt, wenn die Brennkraftmaschine 100 gestartet wird. Am Eingang der Erkennungsstufe 302 liegt das Signal n für die Drehzahl der Brennkraftmaschine 100 an. Der Ausgang des Integrators 300 ist mit einem ersten Eingang eines Vergleichers 304 verbunden. Der zweite Eingang des Vergleichers 304 ist mit dem Ausgang eines Festwertspeichers 308 verbunden, in dem ein Schwellwert Abg1 abgelegt ist. Der Schwellwert Abg1 wird so dimensioniert, daß im Abgaskanal stromauf des Katalysators 116 in der Regel gerade kein Kondenswasser mehr vorhanden ist, wenn die seit Starten der Brennkraftmaschine 100 aufintegrierte Luftmasse mLI den Schwellwert Abg1 überschreitet. Ob diese Überschreitung vorliegt, wird im Vergleicher 304 festgestellt. Der Vergleicher 304 vergleicht das Signal mLI mit dem Wert Abg1 und stellt an seinem Ausgang ein Signal bereit, wenn mLI größer als Abg1 ist. Dieses Signal wird an den Steuereingang des Filters 206 aus Fig. 2 weitergeleitet und bewirkt daß die Begrenzungsfunktion des Filters 206 deaktiviert wird, das heißt, ab sofort kann die nachgebildete Abgastemperatur TAbg stromauf des Katalysators 116 über den Grenzwert von ca. 50 bis 60.C ansteigen, da in diesem Bereich nicht mehr mit Kondenswasser zu rechnen ist.

Diese Funktion entspricht dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich durch die Funktion der zusätzlichen Blöcke 305-307 und 309-311.

Der Ausgangswert mLI wird zusätzlich einem Vergleicher 305 zugeführt. Weiter empfängt der Vergleicher 305 das Produkt aus dem Schwellwert ABG1 aus Block 308 und einem Anteilsfaktor AF aus einem Block 306. Der Anteilsfaktor AF ist auf Werte beschränkt, die kleiner als 1 sind. Das Produkt wird in der Verknüpfungstelle 307 gebildet.

Block 305 liefert ein Ausgangssignal an die Und-Verknüpfung 309, wenn das Integral mLI den Wert des Produktes AF.ABG1 überschreitet.

Parallel liefert Block 310 ein Ausgangssignal an die Und- Verknüpfung 309, wenn der Momentanwert des Abgasmassenstroms einen vorbestimmten Schwellwert aus Block 311 überschreitet. Als Maß für den Abgasmassenstrom kann beispielsweise das Ansaugluftmassensignal mL oder das Kraftstoffmassenflußsignal mK verwendet werden.

Die zusätzlichen Blöcke 305 bis 307 und 309 bis 311 liefern folgende Funktion: In Betriebszuständen, in denen die durchgesetzte Abgasenergie einen Anteil AF (AF < 1) der Energieschwelle ABG1 (Taupunktende) erreicht hat, wird nach einmaligem Ansaugluftdurchsatz mL < mL_Schwelle das Signal an den Filter 206 ausgegeben und so die Begrenzung der modellierten Abgastemperatur aufgehoben. Insbesondere kann dadurch auch die Abgassondenheizleistung hochgesteuert werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, bei dem der Einfluß der Verdampfung von kondensiertem Wasser im Abgassystem auf die Temperatur berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellierung zusätzlich den Abtransport von kondensiertem Wasser durch die Abgasströmung berücksichtigt.

2. Vorrichtung zur Modellierung einer Temperatur im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, bei dem der Einfluß der Verdampfung von kondensiertem Wasser im Abgassystem auf die Temperatur berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, die zusätzlich den Abtransport von kondensiertem Wasser durch die Abgasströmung bei der Modellierung berücksichtigen.