DE102008044196A1 - Method for evaluating exhaust gas temperature in motor vehicle, involves utilizing turbocharger system with exhaust-gas turbine in motor vehicle - Google Patents

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Abstract

The method involves utilizing a turbocharger system with an exhaust-gas turbine in a motor vehicle. The exhaust gas temperature is estimated by an inlet in the exhaust-gas turbine. The estimation of the exhaust gas temperature takes place based on a turbocharger speed of the turbocharger system. An independent claim is included for a device for evaluating the exhaust gas temperature in a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug.The The present invention relates to a method and an apparatus for estimation the exhaust gas temperature in a motor vehicle.

Es ist davon auszugehen, dass Turboladerdrehzahlsensoren (TSS) in naher Zukunft zur Standardausstattung moderner Kraftfahrzeuge mit Turbolader gehören werden. Mittels derartiger Turboladerdrehzahlsensoren können zusätzliche Informationen über den aktuellen Zustand des Turboladers bereitgestellt werden, wodurch das Betriebsverhalten des Kraftfahrzeuges verbessert und die Leistung insgesamt vergrößert werden kann.It It can be assumed that turbocharger speed sensors (TSS) in near Future as the standard equipment of modern motor vehicles with turbocharger belong become. By means of such turbocharger speed sensors, additional information about the current state of the turbocharger are provided, thereby improves the performance of the motor vehicle and the performance be increased overall can.

Zum Schutz der im Abgasstrom befindlichen Abgasturbine ist es gegenwärtig erforderlich, die Abgastemperatur zu begrenzen, insbesondere dann, wenn der Verbrennungsmotor bei voller Last bzw. unter Leistungsspitzen betrieben wird. Die Abgastemperatur entspricht der Eintrittstemperatur der Abgase bei Eintritt in die Abgasturbine und wird im Weiteren als T3 oder Ti bezeichnet.To the Protection of the exhaust gas turbine in the exhaust gas stream is currently required to limit the exhaust gas temperature, especially when the internal combustion engine operated at full load or under power peaks. The Exhaust gas temperature corresponds to the inlet temperature of the exhaust gases at Entry into the exhaust gas turbine and is referred to as T3 or Ti designated.

Eine Begrenzung der Abgastemperatur kann zum einen im Wege einer statischen, konservativen und festen Kalibrierung erfolgen. Dieser Ansatz beinhaltet eine modellhafte Beschreibung des komplexen Verbrennungsprozesses sowie eine Abschätzung der Abgastemperatur als Funktion der Ansauggastemperatur, der Motordrehzahl, der Menge an verbranntem Kraftstoff, der Ansauggasmassenströmung, der Voreinspritzungs-Zeitsteuerung und der Kühlmitteltemperatur. Die Ungenauigkeit bzw. Unsicherheit dieses Ansatzes in Verbindung mit der Komplexität des Verbrennungsprozesses sowie möglichen Schwankungen bzw. Unterschieden von Motor zu Motor haben zur Folge, dass die Abschätzung der Abgastemperatur – insbesondere während transienter Phasen – relativ stark fehlerbehaftet ist, so dass eine hinreichende Genauigkeit der Abschätzung (d. h. der Estimatorgenauigkeit) nicht gewährleistet ist.A Limiting the exhaust gas temperature can be achieved by means of a static, conservative and fixed calibration. This approach involves a model description of the complex combustion process as well as an estimate of the Exhaust temperature as a function of intake gas temperature, engine speed, the amount of combusted fuel, the intake gas mass flow, the Pre-injection timing and the coolant temperature. The inaccuracy uncertainty of this approach in combination with the complexity of the combustion process as well as possible Variations or differences from engine to engine result in that the estimate the exhaust gas temperature - in particular while transient phases - relative is severely flawed, so that a sufficient accuracy the estimate (i.e., the estimator accuracy) is not guaranteed.

Eine Begrenzung der Abgastemperatur kann des Weiteren auch unter Verwendung eines Temperatursensors erfolgen, welcher eine langsame Dynamik über eine große (Temperatur-)Variation aufweist. Dieses Konzept kann sich zwar in Gleichgewichtszuständen in einem neuen Verbrennungsmotor bewähren. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst hochentwickelte Temperatursensoren eine Zeitkonstante von einigen Sekunden aufweisen, was bedeutet, dass ein solcher Sensor hinsichtlich der Bereitstellung einer exakten, transienten Messung der Abgastemperatur bzw. der Eintrittstemperatur Ti der Abgase bei Eintritt in die Abgasturbine nicht sehr zuverlässig ist. Des Weiteren wird das Langzeitverhalten dieses Ansatzes durch weitere Faktoren, wie z. B. eine Verrußung des Sensorelementes, beeinträchtigt.A Limitation of the exhaust gas temperature can further also be used a temperature sensor, which has a slow dynamics over a size (Temperature) variation. Although this concept can be found in Equilibrium states prove in a new internal combustion engine. However, it should be noted that even sophisticated temperature sensors have a time constant of a few seconds, which means that such a sensor in terms of providing an accurate, transient measurement the exhaust gas temperature and the inlet temperature Ti of the exhaust gases at Entry into the exhaust gas turbine is not very reliable. Furthermore, will the long-term behavior of this approach by other factors, such as z. As a sooting of the Sensor element, impaired.

Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug mit Turbolader bereitzustellen, welche einen verbesserten Schutz der Abgasturbine insbesondere während transienter Phasen ermöglichen.In front In the above background, it is an object of the present invention to a method and an apparatus for estimating the exhaust gas temperature in to provide a motor vehicle with a turbocharger, which a improved protection of the exhaust gas turbine especially during transient Enable phases.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.These The object is achieved by a method according to the features of the independent claim 1 or a device according to the features of claim 8 solved.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist und wobei die bei Eintritt in die Abgasturbine vorliegende Abgastemperatur abgeschätzt wird, erfolgt die Abschätzung dieser Abgastemperatur basierend auf einer Turboladerdrehzahl des Turboladersystems.at a method according to the invention for estimation the exhaust gas temperature in a motor vehicle, wherein the motor vehicle a turbocharger system having an exhaust gas turbine and wherein the estimated exhaust gas temperature when entering the exhaust gas turbine, the estimate is made this exhaust gas temperature based on a turbocharger speed of Turbocharger system.

Infolge der Abschätzung der Abgastemperatur basierend auf einer Turboladerdrehzahl des Turboladersystems wird eine schnelle und zuverlässige Abschätzung der Abgastemperatur bei Eintritt in die Abgasturbine und somit ein wirksamer Schutz der Abgasturbine ermöglicht, wobei zugleich die vorstehend beschriebenen Probleme und Nachteile während transienter Phasen vermieden werden. Dabei kann ferner eine schnelle und zuverlässige Abschätzung des Druckverhältnisses über der Abgasturbine auf Basis der Turboladerdrehzahl, insbesondere unter Verwendung eines Turboladerdrehzahlsensors (TSS), erzielt werden. Des Weiteren wird zwar eine exakte Temperaturmessung oder -abschätzung stromabwärts der Abgasturbine benötigt, was aber unter Verwendung eines Sensors erfolgen kann, welcher ohnehin üblicherweise bei Abgasnachbehandlungsvorrichtungen wie z. B. einem DPF (Dieselpartikelfilter) oder einem DOC (Dieseloxidationskatalysator) zum Schutz der Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorgesehen ist.As a result the estimate the exhaust gas temperature based on a turbocharger speed of the turbocharger system will provide a quick and reliable estimate of Exhaust gas temperature when entering the exhaust gas turbine and thus an effective protection allows the exhaust gas turbine while at the same time the problems and disadvantages described above while transient phases are avoided. It can also be a fast and reliable appraisal the pressure ratio over the Exhaust gas turbine based on the turbocharger speed, in particular under Use of a turbocharger speed sensor (TSS) can be achieved. Furthermore, although an accurate temperature measurement or estimation downstream of the Exhaust gas turbine needed, but what can be done using a sensor, which usually anyway in exhaust aftertreatment devices such. B. a DPF (Diesel Particulate Filter) or a DOC (Diesel Oxidation Catalyst) to protect the exhaust aftertreatment device is provided.

Die erfindungsgemäße Abschätzung kann sowohl in Verbrennungsmotoren mit einem Turboladersystem mit fester Geometrie (FGT) als auch in Verbrennungsmotoren mit einem Turboladersystem mit variabler Geometrie (VNT) implementiert werden.The Inventive estimation can both in internal combustion engines with a fixed geometry turbocharger system (FGT) as well as in internal combustion engines with a turbocharger system with variable geometry (VNT).

Gemäß einer Ausführungsform wird aus der Turboladerdrehzahl des Turboladersystems eine korrigierte Turboladerdrehzahl auf Basis einer zuvor abgeschätzten Abgastemperatur berechnet.According to one embodiment becomes a corrected from the turbocharger speed of the turbocharger system Turbocharger speed calculated on the basis of a previously estimated exhaust gas temperature.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Berechnung der korrigierten Turboladerdrehzahl gemäß folgender Beziehung:

Figure 00030001
wobei NT eine nicht korrigierte Turboladerdrehzahl, T3 die zuvor abgeschätzte Abgastemperatur und T3ref einen Referenzwert der Abgastemperatur bezeichnen. Durch Verwendung einer korrigierten Turboladerdrehzahl kann das Turbinenverhalten bzw. Turbinenkennfeld hinsichtlich des Vorliegens unterschiedlicher Betriebsbedingungen (bezogen auf die Referenztemperatur Tref) korrigiert werden, wobei die zuletzt abgeschätzte Abgastemperatur T3 bzw. Turbineneintrittstemperatur Ti verwendet wird.According to one embodiment, the calculation of the corrected turbocharger rotational speed takes place according to the following relationship:
Figure 00030001
where NT denotes an uncorrected turbocharger speed, T3 the previously estimated exhaust gas temperature, and T3 ref a reference value of the exhaust gas temperature. By using a corrected turbocharger speed, the turbine behavior or turbine characteristic field can be corrected with regard to the presence of different operating conditions (with reference to the reference temperature T ref ), the last estimated exhaust gas temperature T3 or turbine inlet temperature Ti being used.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist. Zu bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die obigen Ausführungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.The The invention further relates to a device for estimating the Exhaust gas temperature in a motor vehicle, wherein the motor vehicle a turbocharger system having an exhaust gas turbine. To preferred Embodiments of the device is based on the above statements in connection with the method according to the invention reference.

Weitere Ausgestaltungen sind der Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further Embodiments are the description and the dependent claims remove.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment with reference to the attached Illustrations closer explained.

Die einzige Figur zeigt ein Diagramm, in welchem der Gesamt-Turbinenwirkungsgrad in Abhängigkeit vom Turbinen-Druckverhältnis für konstante Drehzahl und feste Flügelradposition dargestellt ist.The single figure shows a diagram in which the overall turbine efficiency dependent on from the turbine pressure ratio for constant speed and fixed vane position is shown.

In der vorliegenden Anmeldung werden folgende Abkürzungen verwendet:

To
Turbinenaustrittstemperatur, in Kelvin (K);
Ti
Turbineneintrittstemperatur, in Kelvin (K);
T3
Abgastemperatur, in Kelvin (K);
Po
Turbinenaustrittsdruck, in bar;
Pi
Turbineneintrittsdruck, in bar;
NT
Turboladerdrehzahl, in Umdrehungen pro Minute (= rpm);
NTcorr
korrigierte Turboladerdrehzahl, in Umdrehungen pro Minute;
VNT
Flügelradposition, in % oder Grad (Winkel), optional;
γ
Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten, dimensionslos;
ηTS
Total/Statisch-Wirkungsgrad [mit Wert im Bereich von 0 bis 1]
ηM
mechanischer Wirkungsgrad [mit Wert im Bereich von 0 bis 1]
The following abbreviations are used in the present application:
T o
Turbine exit temperature, in Kelvin (K);
T i
Turbine inlet temperature, in Kelvin (K);
T3
Exhaust gas temperature, in Kelvin (K);
P o
Turbine outlet pressure, in bar;
P i
Turbine inlet pressure, in bar;
NT
Turbocharger speed, in revolutions per minute (= rpm);
NT corr
corrected turbocharger speed, in revolutions per minute;
VNT
Impeller position, in% or degrees (angle), optional;
γ
Ratio of specific heat capacities, dimensionless;
η TS
Total / static efficiency [with value in the range of 0 to 1]
η M
mechanical efficiency [with value in the range of 0 to 1]

Erfindungsgemäß wird eine Turboladerdrehzahl unter Verwendung eines Turboladerdrehzahlsensors (TSS) ermittelt. Aus dieser (nicht korrigierten) Turboladerdrehzahl NT wird zunächst eine korrigierte Turboladerdrehzahl NTcorr anhand folgender Beziehung (1) berechnet

Figure 00050001
wobei NT die nicht korrigierte Turboladerdrehzahl, T3 eine zuvor abgeschätzte Abgastemperatur und T3ref einen Referenzwert der Abgastemperatur bezeichnen. Durch Verwendung einer korrigierten Turboladerdrehzahl kann das Turbinenverhalten bzw. Turbinenkennfeld hinsichtlich des Vorliegens unterschiedlicher Betriebsbedingungen (bezogen auf die Referenztemperatur Tref) korrigiert werden.According to the invention, a turbocharger speed is determined using a turbocharger speed sensor (TSS). From this (uncorrected) turbocharger speed NT, a corrected turbocharger speed NT corr is first calculated using the following relationship (1)
Figure 00050001
where NT is the uncorrected turbocharger speed, T3 is a previously estimated exhaust temperature, and T3 ref is a reference exhaust temperature. By using a corrected turbocharger speed, the turbine behavior or turbine characteristic field can be corrected with regard to the presence of different operating conditions (relative to the reference temperature T ref ).

Die korrigierte Turboladerdrehzahl NTcorr wird dann zusammen mit dem daraus ableitbaren Turbinen-Druckverhältnis in Verbindung mit der Flügelradposition (VNT-Position) verwendet, um den Turbinenwirkungsgrad abzuschätzen, aus dem wiederum die Abgastemperatur T3 (entsprechend der Turbineneintrittstemperatur Ti) dynamisch abgeschätzt werden kann.The corrected turbocharger speed NT corr is then used together with the turbine pressure ratio derived therefrom in conjunction with the vane position (VNT position) to estimate the turbine efficiency from which, in turn, the exhaust temperature T3 (corresponding to the turbine inlet temperature Ti) can be dynamically estimated.

Hierbei ist der bei der Berechnung zugrunde gelegte Total/Statisch-Wirkungsgrad ηTS der Turbine (d. h. der unter Zugrundlegung statischer Verhältnisse am Austritt der Turbinenstufe bestehende Wirkungsgrad) eine Funktion der korrigierten Turboladerdrehzahl NTcorr, des Turbinen-Druckverhältnisses (Po/Pi) und der Flügelradposition VNT, d. h. ηTS = f(NTcorr,P0/Pi,[VNT]) (2) In this case, the total / static efficiency η TS of the turbine (ie the efficiency at the outlet of the turbine stage based on static conditions on which the calculation is based) is a function of the corrected turbocharger speed NT corr of the turbine pressure ratio (P o / P i ). and the vane position VNT, ie η TS = f (NT corr , P 0 / P i , [VNT]) (2)

Für den Total/Statisch-Wirkungsgrad ηTS der Turbine in Abhängigkeit von dem Turbinen-Druckverhältnis (Po/Pi) gilt die Beziehung

Figure 00060001
For the total / static efficiency η TS of the turbine as a function of the turbine pressure ratio (P o / P i ), the relationship applies
Figure 00060001

Für die Abgastemperatur T3 bzw. die Turbineneintrittstemperatur Ti ergibt sich somit die Beziehung:

Figure 00060002
For the exhaust gas temperature T3 or the turbine inlet temperature Ti, the relationship thus results:
Figure 00060002

Das Turbinendruck-Verhältnis Po/Pi kann mittels eines auf der Turboladerdrehzahl basierenden Algorithmus berechnet werden. Das Turbinen-Druckverhältnis kann alternativ auch gemessen werden, wobei für die Messung Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts der Abgasturbine verwendet werden.The turbine pressure ratio P o / P i can be calculated by means of a system based on the turbocharger speed algorithm. Alternatively, the turbine pressure ratio may be measured wherein for the measurement pressure sensors upstream and downstream of the exhaust gas turbine are used.

Von einigen Anbietern von Turboladern wird ein ”Gesamtwirkungsgrad” der Turbine verwendet, welcher das Produkt des Total/Statisch-Wirkungsgrades ηTS und des mechanischen Wirkungsgrades ηM gemäß folgender Beziehung (5) angibt, wobei in diesem Fall der Zusammenhang zwischen den diesen Größen durch folgende Beziehung (5) gegeben ist: ηTOTAL = ηTS·nM (5) Some turbocharger suppliers use an "overall efficiency" of the turbine, which gives the product of the total / static efficiency η TS and the mechanical efficiency η M according to the following relationship (5), in which case the relationship between these variables given the following relationship (5): η TOTAL = η TS · n M (5)

Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine zuverlässige und schnelle Abschätzung der Abgastemperatur bei Eintritt in die Abgasturbine und damit ein ver besserter Schutz der Abgasturbine insbesondere während transienter Phasen ermöglicht.In summary The invention provides a reliable and rapid estimation of Exhaust temperature when entering the exhaust gas turbine and thus an improved ver Protection of the exhaust gas turbine allows in particular during transient phases.

Claims (8)

Verfahren zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist und wobei die bei Eintritt in die Abgasturbine vorliegende Abgastemperatur (Ti) abgeschätzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung dieser Abgastemperatur (Ti) basierend auf einer Turboladerdrehzahl des Turboladersystems erfolgt.A method for estimating the exhaust gas temperature in a motor vehicle, wherein the motor vehicle has a turbocharger system with an exhaust gas turbine and wherein the present when entering the exhaust gas turbine exhaust gas temperature (T i ) is estimated, characterized in that the estimate of this exhaust gas temperature (T i ) based on a Turbocharger speed of the turbocharger system takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Turboladerdrehzahl des Turboladersystems eine korrigierte Turboladerdrehzahl (NTcorr) auf Basis einer zuvor abgeschätzten Abgastemperatur berechnet wird.A method according to claim 1, characterized in that from the turbocharger speed of the turbocharger system, a corrected turbocharger speed (NT corr ) is calculated on the basis of a previously estimated exhaust gas temperature. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der korrigierten Turboladerdrehzahl (NTcorr) anhand der Beziehung
Figure 00080001
erfolgt, wobei NT eine nicht korrigierte Turboladerdrehzahl, T3 die zuvor abgeschätzte Abgastemperatur und T3ref einen Referenzwert der Abgastemperatur bezeichnen.A method according to claim 2, characterized in that the calculation of the corrected turbocharger speed (NT corr ) based on the relationship
Figure 00080001
where NT is an uncorrected turbocharger speed, T3 is the previously estimated exhaust temperature, and T3 ref is a reference exhaust temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Turboladerdrehzahl NT bzw. der korrigierten Turboladerdrehzahl (NTcorr) ein Total/Statisch-Wirkungsgrad (ηTS) der Turbine berechnet wird.Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that a total / static efficiency (η TS ) of the turbine is calculated from the turbocharger speed NT or the corrected turbocharger speed (NT corr ). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Total/Statisch-Wirkungsgrades (ηTS) der Turbine basierend auf dem Turbinen-Druckverhältnis (Po/Pi) und der Flügelradposition erfolgt.A method according to claim 4, characterized in that the calculation of the total / static efficiency (η TS ) of the turbine based on the turbine pressure ratio (P o / P i ) and the Flügelradposition takes place. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinen-Druckverhältnis (Po/Pi) basierend auf der Turboladerdrehzahl abgeschätzt wird.A method according to claim 5, characterized in that the turbine pressure ratio (P o / P i ) is estimated based on the turbocharger speed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Eintritt in die Abgasturbine vorliegende Abgastemperatur (Ti) gemäß folgender Beziehung
Figure 00090001
ermittelt wird, wobei (Po/Pi) das Turbinen-Druckverhältnis, ηTS den Total/Statisch-Wirkungsgrad, To die Turbinenaustrittstemperatur und γ das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten bezeichnen.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the present when entering the exhaust gas exhaust gas temperature (T i ) according to the following relationship
Figure 00090001
where P o / P i is the turbine pressure ratio, η TS is the total / static efficiency, T o is the turbine outlet temperature, and γ is the ratio of the specific heat capacities. Vorrichtung zur Abschätzung der Abgastemperatur in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Device for estimating the exhaust gas temperature in a motor vehicle, wherein the motor vehicle is a turbocharger system having an exhaust gas turbine, characterized in that the Device is designed to a method according to a of the preceding claims perform.
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