DE102006010094A1

DE102006010094A1 - Verfahren zur Temperaturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006010094A1
Application number: DE102006010094A
Authority: DE
Inventors: Beate Rittmann; Joerg Frauhammer; Martin Frohnmaier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei ausgehend von mindestens einer Betriebsgröße eine Temperatur bzw. ein Temperaturverlauf eines Abgases im Abgassystem aus einer Energiebilanzierung berechnet wird. Um den Applikationsaufwand bei der Temperaturbestimmung im Abgassystem zu reduzieren und dabei Ressourcen zu schonen, werden bei einer Modellierung der Temperatur die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge getrennt berechnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei ausgehend von mindestens einer Betriebsgröße eine Temperatur bzw. ein Temperaturverlauf eines Abgases im Abgassystem aus einer Energiebilanzierung berechnet wird.

Für eine optimale Funktion eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine ist es erforderlich, den Temperaturverlauf im Abgassystem zu kennen. Nach dem Stand der Technik wird in einem Steuergerät der Temperaturverlauf im Abgassystem berechnet. Dabei kommt der Ermittlung der Temperatur nach einem Auslassventil eine wesentliche Bedeutung zu, da sie die Basis für die Bestimmung aller nachfolgenden Temperaturen ist. Ausgehend von dieser Temperatur werden entlang eines Strömungsweges des Abgases auf Basis von Energiebilanzen die Temperaturen für die betreffenden Abschnitte im Abgassystem bzw. für Katalysatoren ermittelt.

In derzeitig verwendeten Abgastemperaturmodellen (ATM) wird die Temperatur nach den Auslassventilen auf Basis verschiedener Kennlinien und Kennfelder mehr oder weniger heuristisch bestimmt. Eingangsgrößen für die Kennlinien und Kennfelder sind eine Drehzahl, eine relative Kraftstoffmasse, ein Druckverhältnis vor und nach der Drosselklappe, ein Lambda-Wert, ein Zündwinkelwirkungsgrad und ein Abgasmassenstrom. Weiterhin kann eine Abgasrückführungsrate bei der Berechnung eingehen.

Aus der DE 43 38 342 C2 sind beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines simulierten Signals bezüglich der Abgas-, der Abgassonden- oder der Katalysatortemperatur bekannt. Bei diesem Verfahren ist es vorgesehen, mit einer Kennlinie eine statio näre Abgastemperatur zu ermitteln. Mit Hilfe eines ersten Filters wird ausgehend von der stationären Abgastemperatur der zeitliche Verlauf der Abgastemperatur stromauf des Katalysators nachgebildet. Mit Hilfe eines zweiten Filters kann weiterhin die Temperatur des Katalysators ermittelt werden.

Die DE 44 24 811 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines simulierten Signals einer Temperatur im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, wobei ausgehend von einem Signal (TStat) für eine stationäre Abgastemperatur ein Signal (TAbgS) für einen schnellen Anteil und ein Signal (TAbgL) für einen langsamen Anteil an der Abgastemperatur ermittelt werden und anschließend die Signale (TAbgS, TAbgL) für den schnellen und den langsamen Anteil zu einem Signal (TAbg) für die Abgastemperatur überlagert werden.

Aus der DE 44 33 631 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem zur Bildung eines Signals bezüglich einer Temperatur im Abgassystem einer Brennkraftmaschine, wobei ausgehend von wenigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine ein erstes Signal (TStat) gebildet wird und wobei das erste Signal (TStat) von einem Korrektursignal (dTStat) beeinflusst wird und das Korrektursignal (dTStat) von einem Signal (η) abhängt, das mit dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zusammenhängt und/oder von einem Signal (TAn), das die Temperatur der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft angibt.

Nachteilig bei den bisher bekannten Verfahren ist, dass die einzelnen Eingangsgrößen zum Teil voneinander abhängig sind und eine Vielzahl von Kennlinien und Kennfelder vorliegen müssen. Dadurch gestaltet sich der Applikationsaufwand sehr aufwendig. Darüber hinaus ist die Genauigkeit in verschiedenen Betriebsbereichen relativ schlecht und der Speicherbedarf für die Berechnung relativ hoch. Dies resultiert z.B. daraus, dass physikalisch/chemische Zusammenhänge nicht direkt verwendet werden und die daraus resultierenden Zwangsbedingungen durch den Einsatz von Kennlinien und Kennfeldern separat sichergestellt werden müssen. Da keine entsprechenden physikalisch/chemischen Zusammenhänge in diesen Modellen verwendet werden, kann auf Basis des verwendeten Modells nicht extrapoliert werden, weshalb der Parameterbereich sehr weit gefasst und relativ genau diskretisiert werden muss, was zu verhältnismäßig hochdimensionalen Kennlinien und Kennfeldern führt

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Applikationsaufwand bei der Temperaturbestimmung im Abgassystem zu reduzieren und dabei Ressourcen besonders auch bei den Applikationen zu schonen.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Modellierung der Temperatur die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge getrennt berechnet werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse der Abhängigkeiten des Berechnungsmodells und kann zusätzlich Redundanzen in den Abhängigkeiten vermeiden, was insgesamt den Applikationsaufwand reduziert.

Wird darüber hinaus bei der Energiebilanzierung eine Energieerhaltung als Zwangsbedingung verwendet, kann damit eine verbesserte Simulation der Temperaturverhältnisse im Abgassystem erzielt werden.

Vorteilhaft ist dabei, wenn bei der Modellierung bereits die in der Steuereinrichtung errechnete bzw. vorliegende Betriebszwischengrößen berücksichtigt werden. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Applikationsparameter und damit die Anzahl und Dimension der eingesetzten Kennlinien und Kennfelder. Weiterhin ist dieses Berechnungsmodell hinsichtlich des Speicherplatzbedarfs ressourcenschonend.

Wird bei der Modellierung eine modulare Berechnung der Teilbeiträge zur Energiebilanzierung durchgeführt, so können Modellerweiterungen und -verbesserungen einfacher in bereits bestehende Rechenmodelle eingebunden werden. Dies begründet sich darin, dass die Änderungen bzw. Verbesserungen nur jeweils in dem entsprechenden Teilbeitrag zur Energiebilanz berücksichtigt werden müssen. Eine komplette Neuapplikation ist mit dem neuen Berechnungsmodell in der Regel nicht mehr nötig.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge aus einer mechanischen Leistung der Brennkraftmaschine, einer Temperaturänderung des Abgases, einem Wärmeverlust an einer Zylinderwand des Motorblocks und einer chemischen Reaktion eines Kraftstoffes mit einer Zuluft gebildet werden. Dies ermöglicht eine realitätsnahe Simulation der Bedingungen im Abgas, womit eine Temperaturmodellierung erreicht wird, die den realen Bedingungen sehr nahe kommt. Weiterhin können unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine besser berücksichtigt werden.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass ein Zustand des Abgases an einem Auslassventil des Motorblocks als quasistationärer Mittelwert über alle Zylinder des Motorblocks berechnet wird. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Parameter deutlich, wobei die thermodynamischen Zwangsbedingungen und Zusammenhänge konsequent verwendet werden, da sonst die Einhaltung solcher Bedingungen applikativ erfolgen muss. Dies würde einen nachträglichen und zusätzlichen Aufwand bedeuten.

Werden bei der Modellierung der Temperatur die einzelnen Beiträge der Energiebilanzierung abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine durchgeführt, kann das hinterlegte Temperaturmodell betriebszustandsabhängig berechnet werden, was insbesondere die Genauigkeit der Berechnung verbessert. Betriebszustandsabhängige Besonderheiten in der Modellierung können damit entsprechend berücksichtigt werden, was zum einen die Berechnung vereinfachen kann und zum anderen die Genauigkeit der Modellierung erhöht.

Eine Verfahrensvariante sieht vor, dass bei der Auswahl des Reaktionssystems zur Beschreibung der chemischen Reaktionen im Zylinder ein linear unabhängiger Satz von Reaktionsgleichungen ausgewählt wird. Mit dieser Vorgehensweise können komplexe chemische Reaktionen, die in Form von einer Vielzahl von Einzelreaktionen ablaufen, verhältnismäßig einfach dargestellt und hinsichtlich der Energiebilanzierung berechnet werden.

Eine Verfahrensvariante sieht aber auch vor, dass die freiwerdende Energie der chemischen Reaktion des Kraftstoffes mit der Zuluft mittels eines linear unabhängigen Satzes von Reaktionsgleichungen und mit entsprechenden Reaktionslaufzahlen, welche durch Molzahländerungen berechnet werden, bestimmt wird. Mittels dieser Reaktionslaufzahlen kann besonders einfach eine quantitative Bestimmung der Energieumsätze aus den Teilreaktionen ermittelt werden. Sie bieten dadurch die Möglichkeit einen Zustand unter Berücksichtigung chemischer Reaktionen explizit zu beschreiben.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn für die Berechnung der freiwerdenden Wärmeenergie aus der chemischen Reaktion eine zustandsunabhängige, z.B. konzentrationsunabhängige Formulierung bei Berücksichtigung eines durch den Motorblock strömenden Massenstroms verwendet wird. Dies ermöglicht eine sehr vereinfachte Berechnung der Austrittstemperatur, da sich die Formulierung nur auf die angesaugten Teilmassenströme bezieht. Für die chemische Umsetzung ist es nämlich ohne Belang, ob sie bezüglich des gesamten durch den Motor strömenden Massenstromes beziehungsweise bezüglich des angesaugten Massenstromes formuliert wird, solange die Umsetzung nicht abhängig von den Konzentrationen im Brennraum ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Verfahrensvariante sieht vor, dass für die Berechnung des Wärmeverlustes und einer Eintrittstemperatur ein Gesamtmassenstrom durch die Zylinder berücksichtigt wird, der aus einem angesaugten Massenstrom, einer Einspritzmenge und aus internen und externen Abgasrückführungsströmen gebildet wird. Vorteilhaft ist es dabei, dass die Gesamtfüllung der Zylinder modellmäßig als Massenströme betrachtet werden, da diese einfach zu ermitteln sind.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die internen Massenströme aus vorliegenden Daten für Füllung und Restgasraten berechnet werden. Damit können fehlende Messdaten, die in der Regel nicht oder schwer bestimmbar sind, aus vorliegenden Daten bestimmt werden.

Eine ebenfalls bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Eintrittstemperatur in den Zylindern aus einer Gewichtung der Temperatur der einzelnen Ströme mit den entsprechenden Massenströmen berechnet wird. Damit beschreibt die berechnete Temperatur den realen Verlauf hinsichtlich der auftretenden Dynamik.

Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass in Betriebszuständen mit sich stark ändernden Bedingungen für die Berechnung der Temperatur ein separates Modell unter Berücksichtigung von Aufheiz- und/oder Abkühlvorgängen der Komponenten des Motorblocks verwendet wird. Vorteilhaft ist, dass sich die Dynamik insbesondere durch Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Ventile beziehungsweise des Materials in deren Umgebung und der Änderung der Zylinderwandtemperatur orientiert, wobei die Zylinderwandtemperatur insbesondere bei kaltem Motor größere Änderungen erfährt und somit in erster Linie im Kaltstart von Interesse ist.

Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn für einen Kaltstart ein separates Modell generiert wird. Da die Zylinderwandtemperatur dabei als sehr konstant über weite Betriebsbereiche angesehen wird, werden die Bedingungen während des Kaltstarts mit ausreichender Genauigkeit beschrieben, welche aufgrund der Aufheiz-Dynamik deutlich vom Modell im Normalbetrieb abweichen können.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante sieht vor, dass die mechanische Leistung der Brennkraftmaschine im Modell aus einem an einer Kolbenoberfläche der Zylinder anliegenden Moments M und einer Drehzahl n berechnet wird. Vorteilhaft dabei ist, dass die benötigten Messdaten leicht und ohne großen Aufwand ermittelt werden können. Mit diesem recht einfachen Modell kann die mechanische Leistung berechnet werden, die über die Grenzen des Kontrollsystems, welches aus dem Motor selbst besteht, abgegeben wird.

Eine weitere bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass der Wärmeverlust an der Zylinderwand des Motorblocks aus einer mittleren Temperaturdifferenz zwischen einem Kraftstoff-Luftgemisch beziehungsweise dem Abgas und der Zylinderwand mit einer Bezugsfläche, die aus der halben geometrischen Oberfläche der Zylinder, die näherungsweise aus einem Bohrungsdurchmesser und einem Hub berechnet wird, sowie aus einem druck- und drehzahlabhängigen Wärmeübergangskoeffizient bestimmt wird. Damit lässt sich unter Berücksichtigung von Literaturwerten für den Brennverlauf eine sehr einfache mathematische Beziehung für den Wärmeübergangskoeffizienten formulieren.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass für einen Schicht- und Homogenbetrieb unterschiedliche Wärmeübertragungs-Koeffizienten für die Zustandsabhängigkeit ermittelt werden, wobei im Schichtbetrieb niedrigere Wärmetransportkoeffizienten angesetzt werden. Dadurch kann auch die den Brennraum umgebende isolierende Lufthülle im Schichtbetrieb berücksichtigt werden.

Eine Verfahrensvariante sieht aber auch vor, dass im Schicht- und Homogenbetrieb unterschiedliche Zündwinkel berücksichtigt werden, da dies zu einer noch besseren Genauigkeit des Verfahrens beiträgt.

Wird der Wärmeübergang zündwinkelabhängig adaptiert, kann eine weitere Verbesserung erfolgen, die im Idealfall zu einer Vereinheitlichung der Zustandsabhängigkeit des Wärmeverlusts in den verschiedenen Betriebsarten führt.

Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Funktion der Temperatur-Modellierung als Soft- und/oder Hardware in der Steuereinrichtung implementiert wird. Dies hat den Vorteil eines günstigeren Aufbaus mit vorteilhafter Verarbeitungsmöglichkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren abläuft. In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 40 und einem Zuluftkanal 10, der den Motorblock 40 mit Verbrennungsluft versorgt, dargestellt, wobei die Luftmenge im Zuluftkanal 10 mit einer Zuluftmesseinrichtung 20 bestimmbar ist. Weiterhin sind im Zuluftkanal 10 – in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen – ein Temperatursensor 120 zur Messung der Zulufttemperatur, eine Drosselklappe 130 mit einem Drosselklappensensor 131 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 130 und eine Druckmesseinrichtung 140, die als Differenzdruckmesseinrichtung ausgebildet sein kann, vorgesehen. Im Zuluftkanal 10 befindet sich außerdem eine Kraftstoffzumesseinrichtung 30, mit der ein bestimmtes, abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, Kraftstoff-Luftgemisch eingestellt werden kann. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 wird dabei über eine Abgasreinigungsanlage geführt, welche als Hauptkomponenten einen Abgaskanal 50 aufweist, in dem in Strömungsrichtung des Abgases eine erste Abgassonde 60 vor einem Katalysator 70 und eine zweite Abgassonde 80 hinter dem Katalysator 70 angeordnet ist. Wie in der 1 angedeutet, kann die Abgasreinigungsanlage noch einen zweiten Katalysator 90 hinter der zweiten Abgassonde 80 aufweisen. Am Motorblock 40 sind ein Drehzahlsensor 41 und ein Temperatursensor 42 angebracht.
Die Ausgangssignale des im Zuluftkanal 10 angeordneten Temperatursensors 120, des Drosselklappensensors 131, des Drehzahlsensors 41 und des Temperatursensors 42 am Motorblock 40 werden einer zentralen Steuereinrichtung 100 über entsprechende Verbindungsleitungen zugeführt. Die Abgassonden 60, 80 sind ebenfalls mit dieser Steuereinrichtung 100 verbunden und bilden mit der Steuereinrichtung 100 und der Kraftstoffzumesseinrichtung 30 einen Regelkreis zur Einstellung eines Lambda-Wertes. Die Steuereinrichtung 100 wertet die Sensorsignale der Abgassonden 60, 80 aus, berechnet damit das Gemisch und steuert über weitere Verbindungsleitungen die Kraftstoffzumesseinrichtung 30 zur Zudosierung von Kraftstoff mit entsprechenden Einspritzdüsen im Zuluftkanal 10 an. Die Steuereinrichtung kann zudem, wie in 1 gezeigt, mit einer Anzeige-/Speichereinheit 110 verbunden sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass bei einer Modellierung der Temperatur die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge strikt getrennt beschrieben werden. Darüber hinaus soll der Energieerhaltungssatz konsequent als Zwangsbedingung verwendet werden. Beides reduziert die Anzahl der notwendigen Parameter und vereinfacht die Applikation. Weiterhin werden bei der Modellierung bereits in der Steuereinrichtung 100 errechnete bzw. vorliegende Betriebszwischengrößen berücksichtigt. Somit wird das neue Modell einfacher hinsichtlich Modellerweiterungen bzw. -verbesserungen, da Änderungen bzw. Verbesserungen nur jeweils in dem entsprechenden Teilbeitrag zur Energiebilanz berücksichtigt werden müssen.
Die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge werden aus der mechanischen Leistung der Brennkraftmaschine 1, der Temperaturänderung des Abgases, dem Wärmeverlust an einer Zylinderwand des Motorblocks 40 und der chemischen Reaktion des Kraftstoffes mit der Zuluft gebildet. Dabei berechnet die vorliegende Funktion den Zustand des Abgases an einem Auslassventil des Motorblocks 40 als quasistationärer Mittelwert über alle Zylinder des Motorblocks 40.
Eine quasistationäre quasikontinuierliche Energiebilanz um den Motorblock 40 beschreibt, dass die zu jedem Zeitpunkt im Motorblock 40 freigesetzte chemische Energie Q_chem entweder in

– mechanische Leistung p_mech
– Wärmeverlust an das Kühlwasser Q .v oder
– innere Energie beziehungsweise Enthalpie des Abgases

Q .chem = Pmech + Q .v + m .·cp·(T – Tin)

Grundlage bei der Modellierung der Temperatur ist die Darstellung die einzelnen Beiträge der Energiebilanzierung abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1.
Die mechanische Leistung p_mech der Brennkraftmaschine 1, die über die Grenzen des Kontrollsystems abgegeben wird, errechnet sich im Modell aus dem an der Kolbenoberfläche der Zylinder anliegenden Moments M und der Drehzahl n:
Der Wärmeverlust an die Zylinderwand des Motorblocks 40 wird als proportional zu der mittleren Oberfläche A_m, der mittleren Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T des Kraftstoff-Luftgemischs beziehungsweise dem Abgas und der Temperatur T_w der Zylinderwand sowie einem Wärmeübergangskoeffizienten α angenommen: Qv = α·Am·(T – Tw)
Als mittlere Oberfläche A_m wird die halbe geometrische Oberfläche der Zylinder gewählt, die sich näherungsweise aus Bohrungsdurchmesser und Hub berechnen lässt.
Für den Wärmeübergangskoeffizienten α finden sich in der Literatur zur Brennverlaufsberechnung verschiedene Beziehungen, die sich auf folgende Form bringen lassen:
Auswertungen haben gezeigt, dass der Wärmeübergangskoeffizient α druck- und drehzahlabhängig ist, wobei hier der Druck p bzw. p_o und die Drehzahl n bzw. n_o die gleich Abhängigkeit besitzen, was sich in einer identischen Hochzahl auswirkt. Der in die vorliegende Beziehung eingehende Druck p wird aus der Temperatur, dem aus der Drehzahl n berechneten ge förderten Volumenstrom und dem vorliegenden Massenstrom berechnet, wobei als Bezugsvolumen das halbe Zylindervolumen angenommen wird.
Die Zylinderwandtemperatur erweist sich, wie ebenfalls aus Literaturdaten hervorgeht, in weiten Betriebsbereichen als sehr konstant. Zumindest können deren Änderungen als klein gegenüber denen der Temperatur des Kraftstoff-Luftgemischs bzw. des Abgases angesehen werden.
Der chemische Wärmeeintrag ist abhängig von den ablaufenden Reaktionen. Für die Beschreibung des Stoffsystems aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasser, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxid und Kraftstoff kann bei den vier vorliegenden Atomsorten N, O, H und C ein System von vier Reaktionsgleichungen zu Grunde gelegt werden. Dazu ist die Annahme nötig, dass der Kraftstoff näherungsweise durch ein charakteristisches Molekül beschrieben wird und die Stickoxide nur als Stickstoffmonoxid vorliegen. Beides ist für eine Temperaturbeschreibung nicht von Belang. Für eine Beschreibung der Emissionen muss insbesondere bei den Stickoxiden gegebenenfalls noch eine genauere Aufteilung berücksichtigt werden. Für den Wärmeeintrag fallen die Stickoxide allerdings nicht ins Gewicht.
Prinzipiell ist die Auswahl des Reaktionssystems zur Beschreibung der chemischen Reaktionen im Zylinder frei, solange ein linear unabhängiger Satz von Reaktionsgleichungen ausgewählt wird. Im Folgenden ist ausgewählt:
Mit Reaktionslaufzahlen für die Reaktionen errechnet sich die im Zylinder freiwerdende Energie der chemischen Reaktion des Kraftstoffes wie folgt, wobei die Anzahl der Reaktionslaufzahlen die Anzahl der Formelansätze wiedergeben. Sie bieten die Möglichkeit einen Zustand unter Berücksichtigung chemischer Reaktionen explizit zu beschreiben. Reaktionslaufzahlen sind kontinuierliche Größen, die als Variable zur Beschreibung des Systems verwendet werden, indem die Molzahlen als Funktion von ξ ausgedrückt werden. Zu jeder Reaktion gehört somit eine Reaktionslaufzahl. Der Bereich, in dem die Reaktionslaufzahlen variieren können, ist begrenzt durch die Bedingung, dass keine Molzahl negativ werden darf. Q .chem = ξ1·ΔH1R + ξ2·ΔH2R + ξ3·ΔH3R + ξ4·ΔH4R
Die Reaktionslaufzahlen selbst werden aus einer Spezifikation der Ausgangsgrößen für Kraftstoff, Sauerstoff, Stickoxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestimmt. Die Grundlage dafür sind die Molzahländerungen der entsprechenden Stoffe beim Durchlaufen der Zylinder.
Die notwendigen Beziehungen lauten:
Zur Bestimmung der Reaktionslaufzahlen wird der Umsatz von Kohlenwasserstoffen vorgegeben. Darüber hinaus wird der Sauerstoffstrom und der Stickoxidstrom spezifiziert sowie ein Wert für das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorgegeben.
Schon ein konstantes Kohlenmonoxid-zu-Wasserstoff-Verhältnis von 2,5 bis 3, ein Vollumsatz von Kohlenwasserstoffen im mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch und der maximal mögliche Umsatz von Kohlenwasserstoffen in einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch ergibt hinsichtlich der Temperaturänderung sehr gute Werte, so dass für viele Anwendungen eine ge sonderte Applikation für verschiedene Motoren nicht geboten ist. Diese Parameter können mit hinreichender Genauigkeit aus anderen Projekten übernommen werden.
Im Rahmen des hier gewählten Modellierungsschemas sind sämtliche Eingriffe in den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wie Betriebsartenumschaltungen, Ladungsbewegungsklappenbewegung und Abgasrückführung im Prinzip beschrieben, unter der Voraussetzung, dass diese in der Momentenbestimmung hinreichend genau Eingang finden.
Wenn diese Maßnahmen keinen entscheidenden Einfluss auf die Umsetzung im Motor beziehungsweise die daraus resultierende Wärmeleistung haben, müssen solche Eingriffe in der Beschreibung des Reaktionssystems nicht gesondert berücksichtigt werden. Gegebenenfalls ergeben sich aus solchen Eingriffen allerdings Rückwirkungen auf Turbulenz und Schichtung im Zylinder, die für die Wärmeübergänge durchaus wichtige Parameter darstellen. Aus diesem Grund können diese dann, wie z.B. im Falle von Schichtbetrieb bei der Parametrierung berücksichtigt werden. Die vorliegende Modellierung hat den Vorteil, dass jeweils nur an der Stelle eingegriffen werden muss, an der sich der Einfluss konkret bemerkbar macht.
Aus den gegebenen Beziehungen lässt sich einfach die quasistationäre Zylinderaustrittstemperatur bestimmen. Die Zustände im Motor werden auch durch die Abgasrückführung beeinflusst. Für die chemische Umsetzung ist es ohne Belang, ob sie bezüglich des gesamten durch den Motor strömenden Massenstromes bzw. bezüglich des angesaugten Massenstromes formuliert wird, solange die Umsetzung nicht abhängig von den Konzentrationen im Brennraum formuliert ist. Für die vorliegende Berechnung der Austrittstemperatur wird eine konzentrationsunabhängige Formulierung benutzt, weshalb diese auf die angesaugten Teilmassenströme bezogen werden kann, was die Berechnung sehr vereinfacht.
Hinsichtlich der Berechnung des Wärmeverlustes und der Eintrittstemperatur ist es allerdings sehr wohl von Belang, wie groß der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder ist. Dieser hängt damit vom angesaugten Massenstrom, der Einspritzmenge und den internen und externen Abgasrückführungsströmen ab. Ebenso kühlt der externe Abgasrückführungsmassenstrom vor Wiedereintritt in die Zylinder ab.
Während der externe Massenstrom in der Steuereinrichtung 100 berechnet vorliegt, existiert für den internen Massenstrom keine eigene Speicherzelle. Dieser Strom muss daher aus gegebenen Daten für Füllung und Restgasraten berechnet werden.
Die Eintrittstemperatur in den Zylinder ergibt sich aus einer Gewichtung der Temperaturen der einzelnen Ströme mit den entsprechenden Massenströmen.
Die so berechnete Temperatur beschreibt den realen Verlauf hinsichtlich der auftretenden Dynamik und im Kaltstart unter Umständen nicht mit ausreichender Genauigkeit. Die Dynamik orientiert sich insbesondere durch Aufheiz- und Abkühlungsvorgängen der Ventile beziehungsweise des Materials in deren Umgebung und der Änderung der Zylinderwandtemperatur. Letztere durchläuft insbesondere bei kaltem Motor größere Änderungen. Damit ist die Berücksichtigung der Änderung in erster Linie im Kaltstart von Interesse. Für die Darstellung des Kaltstartverhaltens wird ein Submodell generiert, das diesen Einfluss beschreibt.
Die Ventiltemperatur T_valve wird insbesondere beim Ausströmen des Zylinderinhalts durch den Wärmeübergang vom ausströmenden Abgas, in geschlossenem Zustand insbesondere durch Wärmeleitung zwischen Ventil und Motorblock 40 beeinflusst. Quasikontinuierlich betrachtet ergibt sich daraus folgende Beziehung für das ausströmende Abgas und die Ventiltemperatur T_valve:
K_λ ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit und den Geometriedaten und ist somit als Ganzes zu applizieren. Der Wärmeübergang an das Ventil ist von der Durchströmung und damit vom Massenstrom abhängig. Damit ist die zu verwendende thermische Speicherfähigkeit größer als die des Ventils selbst.
Eine analoge Modellierung für den Bereich um das Ventil kann für die Energiebilanz der Zylinderwand wie folgt beschrieben werden:
Als Bezugsfläche für den Wärmeaustausch mit dem Abgas dient hier wie in der Energiebilanz des Abgases selbst auch die innere Oberfläche des Zylinders, da der Wärmeübergang in beiden Beziehungen naturlich der identische ist. K_λ ist auch hier als Ganzes anzupassen, da die geometrischen Größen nur schwer separiert werden können. Eine detaillierte Modellierung der Wandtemperatur könnte durch die Lösung der dynamischen Wärmeleitgleichung gewonnen werden, die die Grundlage für die obige Orts-diskretisierte Formulierung darstellt.
Die Applikation auf experimentell ermittelte Daten führt zu dem Ergebnis, dass für einen Schicht- und Homogenbetrieb unterschiedliche Koeffizienten für die Zustandsabhängigkeit ermittelt werden, wobei im Schichtbetrieb niedrigere Wärmetransportkoeffizienten ermittelt werden. Dies ist zum einen dadurch erklärbar, dass im Schichtbetrieb der den Brennbereich umgebenden Lufthülle isolierende Eigenschaften zugeschrieben werden. Zum anderen ist im bisherigen Ansatz nicht berücksichtigt, dass sowohl im Schichtbetrieb als auch im Homogenbetrieb mit unterschiedlichen Zündwinkeln gefahren wird. Aus diesem Grund ändern sich der Temperaturverlauf bei der Verbrennung und die jeweils verfügbare Wärmeübergangsfläche bei entsprechenden Temperaturdifferenzen. Aus diesem Grund ließe sich eine weitere Verbesserung durch die Adaption einer Zündwinkelabhängigkeit des Wärmeübergang formulieren, die im Idealfall zu einer Vereinheitlichung der Zustandsabhängigkeit des Wärmeverlusts in den verschiedenen Betriebsarten führt.
Mit dem oben beschrieben Verfahren kann die Temperaturbestimmung im Abgassystem einfach und ohne großen Aufwand erreicht werden. Das System ist dabei leicht zu applizieren und schont durch eine reduzierte Anzahl an notwendigen Applikationsparametern wertvolle Speicherressourcen.

Claims

Verfahren zur Temperaturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Steuereinrichtung (100), wobei ausgehend von mindestens einer Betriebsgröße eine Temperatur bzw. ein Temperaturverlauf eines Abgases im Abgassystem aus einer Energiebilanzierung berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Modellierung der Temperatur die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge getrennt berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Energiebilanzierung eine Energieerhaltung als Zwangsbedingung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellierung bereits in der Steuereinrichtung (100) errechnete bzw. vorliegende Betriebszwischengrößen berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellierung eine modulare Berechnung der Teilbeiträge zur Energiebilanzierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Energiebilanzierung eingehenden Beiträge aus einer mechanischen Leistung der Brennkraftmaschine (1), einer Temperaturänderung des Abgases, einem Wärmeverlust an einer Zylinderwand des Motorblocks (40) und einer chemischen Reaktion eines Kraftstoffes mit einer Zuluft gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand des Abgases an einem Auslassventil des Motorblocks (40) als quasistationärer Mittelwert über alle Zylinder des Motorblocks (40) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modellierung der Temperatur die einzelnen Beiträge der Energiebilanzierung abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswahl des Reaktionssystems zur Beschreibung der chemischen Reaktionen im Zylinder ein linear unabhängiger Satz von Reaktionsgleichungen ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die freiwerdende Energie der chemischen Reaktion des Kraftstoffes mit der Zuluft mittels eines linear unabhängigen Satzes von Reaktionsgleichungen und mit entsprechenden Reaktionslaufzahlen, welche durch Molzahländerungen berechnet werden, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der freiwerdenden Wärmeenergie aus der chemischen Reaktion eine zustandsunabhängige Formulierung bei Berücksichtigung eines durch den Motorblock (40) strömenden Massenstroms verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung des Wärmeverlustes und einer Eintrittstemperatur ein Gesamtmassenstrom durch die Zylinder berücksichtigt wird, der aus einem angesaugten Massenstrom, einer Einspritzmenge und aus internen und externen Abgasrückführungsströmen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die internen Massenströme aus vorliegenden Daten für Füllung und Restgasraten berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur in den Zylindern aus einer Gewichtung der Temperatur der einzelnen Ströme mit den entsprechenden Massenströmen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Betriebszuständen mit sich stark ändernden Bedingungen für die Berechnung der Temperatur ein separates Modell unter Berücksichtigung von Aufheiz- und/oder Abkühlvorgängen der Komponenten des Motorblocks (40) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Kaltstart ein separates Modell generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Leistung der Brennkraftmaschine (1) im Modell aus einem an einer Kolbenoberfläche der Zylinder anliegenden Moments M und einer Drehzahl n berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverlust an der Zylinderwand des Motorblocks (40) aus einer mittleren Temperaturdifferenz zwischen einem Kraftstoff-Luftgemisch beziehungsweise dem Abgas und der Zylinderwand mit einer Bezugsfläche, die aus der halben geometrischen Oberfläche der Zylinder, die näherungsweise aus einem Bohrungsdurchmesser und einem Hub berechnet wird, sowie aus einem druck- und drehzahlabhängigen Wärmeübergangskoeffizient bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schicht- und Homogenbetrieb unterschiedliche Wärmeübertragungs-Koeffizienten für die Zustandsabhängigkeit ermittelt werden, wobei im Schichtbetrieb niedrigere Wärmetransportkoeffizienten angesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Schicht- und Homogenbetrieb unterschiedliche Zündwinkel berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang zündwinkelabhängig adaptiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Temperatur-Modellierung als Soft- und/oder Hardware in der Steuereinrichtung (100) implementiert wird.