DE4234420C1 - Verfahren zur Motorsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors.

Motorsteuerungen für Verbrennungsmotoren betreiben den Verbrennungsmotor zum thermischen Schutz von Motorkomponenten wie Auslaßventile, Abgaskrümmer oder Katalysator in hochbelasteten Betriebsbereichen mit Kraftstoffüberschuß, d. h. die Luftzahl Lambda wird < 1 gehalten.

Dieser auch als Anfettung bezeichnete Kraftstoffüberschuß wird für stationäre Zustände ermittelt und in der Motorsteuerung festgeschrieben. Der Verbrennungsmotor wird daher auch im instationären Betrieb mit Kraftstoffüberschuß, betrieben, obwohl dies nicht immer nötig wäre, da die betroffenen Motorkomponenten eine gewisse Zeit benötigen, bis sie sich aufgeheizt haben und ihre Temperatur in die Nahe einer kritischen Temperatur kommt. Dies kann dazu führen, daß die Emissionen und der Kraftstoffverbrauch unnötigerweise nicht in einem optimalen Bereich gehalten werden.

Hierzu ist es aus der DE 41 03 747 A1 bekannt, die Temperatur eines dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Katalysators direkt zu messen.

Ferner ist es aus der US-PS 4,007,590 bei einem Verfahren bekannt, zur Motorsteuerung nach dem Start eines Verbrennungsmotors aufgrund der Kühlmitteltemperatur auf eine hohe oder niedrige Tempe­ ratur eines dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Katalysators zu schließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung der Temperatur der Motorkomponenten einfacher zu gestalten.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Temperatur von Motorkomponenten aus Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors und des Fahrzeuges ermittelt. Hierzu wird fortwährend aus der im vorangegangenen Betriebspunkt erreichten Temperatur und der Beharrungstemperatur des aktuellen Betriebspunktes durch eine Übergangsfunktion die aktuelle Temperatur der zu überwachenden Motorkomponente bzw. die Abgastemperatur an einer bestimmten Stelle, z. B. vor einem Katalysator, ermittelt. Die variablen Größen der Übergangsfunktion, nämlich Beharrungstemperatur, Zeitkonstante und Totzeit werden in Abhängigkeit vom Betriebspunkt aus Kennfeldern ermittelt. Die Beharrungstemperatur kann abhängig von weiteren Betriebsgrößen wie eingelegter Gang, Ansauglufttemperatur und Zündwinkelkorrektur korrigiert werden.

Es ist bei der Erfindung von besonderem Vorteil, daß durch die indirekte Bestimmung der Temperatur der zu überwachenden Motorkomponente Einrichtungen zur Signalerzeugung und Verfahrensschritte zur Signalkorrektur bzw. Signalkontrolle entfallen. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Betriebsgrößen werden in bekannten Fahrzeugen bereits für andere Anwendungen erfaßt und stehen daher ohne weiteren baulichen Aufwand zur Verfügung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Das dort beschriebene Modell zur Temperaturbildung ist, beispielsweise in einem Mikrorechner, besonders einfach darstellbar. Die Speicherung der in das Temperaturmodell eingehenden Größen erfolgt speicherplatzsparend in Kennfeldern.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das nachstehend näher beschrieben ist.

Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung mit einer Motorsteuerung, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung der Temperatur eines Katalysators.

In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 eines Fahrzeuges gezeigt, der von einer elektronischen Motorsteuerung 2 gesteuert wird. Die Motorsteuerung 2 erhält über Zuleitungen 3 Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors 1 und des Fahrzeuges und erzeugt hieraus Steuergrößen, die über Steuerleitungen 4 an den Verbrennungsmotor 1 weitergegeben werden und diesen beeinflussen. Eine Abgasleitung 5 nimmt die Abgase des Verbrennungsmotors 1 auf. Die Abgasleitung 5 weist eine Lambda-Sonde 6 auf, die über eine Signalleitung 7 ein Signal an die Motorsteuerung 2 liefert. Die Abgasleitung 5 mündet in einen Katalysator 8, an den sich eine Abgasausleitung 9 anschließt.

In der Motorsteuerung 2 ist, neben anderen, ein Funktionsblock 10 zur Bestimmung der Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 8 enthalten. Der Funktionsblock 10 erhält Daten 11 und liefert einen Temperaturwert 12.

Der Funktionsblock 10 ermittelt den Temperaturwert 12 nach dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm. In einem ersten Schritt 13 werden die Daten für eine Motordrehzahl Nmot, eine Lastgröße L, eine Ansauglufttemperatur TL, eine Fahrgeschwindigkeit v und eine, hier aus einer Klopfregelung des Verbrennungsmotors 1 rührende, Zündwinkelkorrekturgröße KR eingelesen. In einem Schritt 14 wird dann abhängig von den Größen Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot aus einem ersten Kennfeld eine Zeitkonstante Tau und in einem Schritt 15 aus einem zweiten Kennfeld eine Totzeit m bestimmt.

Im Schritt 16 wird geprüft, ob die Motorsteuerung 2 den Verbrennungsmotor 1 im lambdageregelten Bereich, d. h. Lambda = 1, oder im Bereich mit Kraftstoffüberschuß, d. h. Lambda < 1, betreibt. Bei Betrieb im lambdageregelten Bereich wird dann eine Beharrungstemperatur TB abhängig von den Größen Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot in einem Schritt 17 aus einem dritten Kennfeld ermittelt und anderenfalls in einem Schritt 18 auf einen festen Wert von 850°C gesetzt.

In Schritten 19 bis 21 wird die so ermittelte Beharrungstemperatur TB um Temperaturänderungen DT1 bis DT3 verändert, wobei in Schritt 19 eine Temperaturänderung DT1, abhängig von der Ansauglufttemperatur TL, in Schritt 20 die Temperaturänderung DT2, abhängig von dem Quotienten aus der Fahrgeschwindigkeit v und der Motordrehzahl Nmot, und schließlich in Schritt 21 die Temperaturänderung DT3, abhängig von der Zündwinkelkorrekturgröße KR, aus jeweils einer Kennlinie ermittelt wird.

Alle bisher genannten Kennlinien und Kennfelder enthalten Daten, die zuvor beispielsweise in Prüfständen fahrzeug- und motorspezifisch ermittelt worden sind. Die Lastgröße L wird im Ausführungsbeispiel als Quotient aus einer dem Verbrennungsmotor 1 je Zeiteinheit zugeführten Luftmasse und der Motordrehzahl Nmot berechnet. Es kann selbstverständlich jede andere die Last des Verbrennungsmotors 1 repräsentierende Größe wie insbesondere Drosselklappenwinkel, Einspritzzeit und Saugrohrunterdruck verwendet werden. Der Quotient aus der Fahrgeschwindigkeit v und der Motordrehzahl Nmot repräsentiert die gerade gewählte Getriebeübersetzung; auch hier kann selbstverständlich jede andere äquivalente Größe verwendet werden.

In Schritt 22 schließlich wird mittels einer Übergangsfunktion

T(t) = T(t-Dt) + (TB-T(t-Dt))_*(1-exp[-Tau_*Dt^(m+1)])

die aktuelle Temperatur T(t) gebildet. Die Übergangsfunktion ist als Iterationsfunktion dargestellt, d. h., die aktuelle Temperatur T(t) berechnet sich jeweils aus der vorangegangenen Temperatur T(t-Dt) und einer Änderung. Die Änderung ihrerseits ist durch die Differenz zwischen der vorhergehend errechneten Temperatur T(t-Dt) und der für den augenblicklichen Betriebspunkt ermittelten Beharrungstemperatur TB multipliziert mit einer Exponentialfunktion ausgedrückt. Durch die Exponentialfunktion ist die zeitliche Abhängigkeit der Anpassung der aktuell errechneten Temperatur T(t) an die Beharrungstemperatur TB ausgedrückt. Die Exponentialfunktion wird von der in Schritt 14 ermittelten Zeitkonstante Tau sowie der in Schritt 15 ermittelten Totzeit m beeinflußt; es steht hierin Dt für das Zeitintervall zwischen zwei Berechnungen. Schließlich wird in Schritt 23 die ermittelte Temperatur T(t) als Temperaturwert 12 ausgegeben.

Im dargestellten Verfahren werden Daten für einen betriebswarmen Verbrennungsmotor 1 verwendet. In der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 wird die wirkliche Temperatur unterhalb der errechneten Temperatur T(t) liegen. Die wirkliche Temperatur wird sich dann mit fortschreitender Erwärmung an die errechnete Temperatur T(t) annähern, bis der Verbrennungsmotor 1 betriebswarm ist und die wirkliche Temperatur der errechneten Temperatur T(t), innerhalb der durch das Verfahren bedingten Fehler, entspricht. Daher beeinflußt die Nichtbetrachtung der Warmlaufphase das dargestellte Verfahren nicht; der hierbei entstehende Fehler ist unkritisch.

Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt wie folgt:

Die Motorsteuerung 2 steuert eine nicht dargestellte Gemischaufbereitungseinrichtung über die Steuerleitungen 4 so, daß im allgemeinen das Abgas in der Abgasleitung 5 eine möglichst stöchiometrische Zusammensetzung, entsprechend Lambda = 1, aufweist (lambdageregelter Bereich). Hierzu verwendet die Motorsteuerung 2 das von der Lambda-Sonde 6 über die Signalleitung 7 gelieferte Signal, das den in der Abgasleitung 5 herrschenden Lambda-Wert repräsentiert. Je nach Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot des Verbrennungsmotors 1 stellt sich für stationären Betrieb eingangs des Katalysators 8 eine bestimmte Abgas-Eintrittstemperatur ein. In einem Bereich hoher Lastgröße L und hoher Motordrehzahl Nmot würde die Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 850°C überschreiten, was eine Schädigung des Katalysators 8 zur Folge hätte. Daher wird die Motorsteuerung 2 in diesem Bereich den Verbrennungsmotor 1 mit Kraftstoffüberschuß so betreiben, daß die Abgas-Eintrittstemperatur auf 850°C begrenzt ist. Im instationären Bereich, d. h. bei einem Übergang von einem Betriebspunkt niederer Motordrehzahl Nmot und niederer Lastgröße L zu einem Betriebspunkt hoher Motordrehzahl Nmot und hoher Lastgröße L wird die Abgas-Eintrittstemperatur vor dem Katalysator 8 nicht sofort ihre Beharrungstemperatur TB im neuen Betriebspunkt annehmen, sondern wird sich abhängig von der Zeit an die neue Beharrungstemperatur TB angleichen. Es ist daher nicht notwendig, sogleich nach dem Übergang in den Bereich hoher Lastgröße L die Abgas-Eintrittstemperatur durch Betrieb mit Kraftstoffüberschuß abzusenken. Zu diesem Zweck ermittelt der Funktionsblock 10 in der oben dargestellten Weise fortlaufend durch die Berechnung nach Schritt 22 den Temperaturwert 12 der Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 8 und gibt diesen an die Motorsteuerung 2 weiter. Die Motorsteuerung 2 kann nun den Verbrennungsmotor 1 so lange im lambdageregelten Bereich betreiben, bis der Temperaturwert 12 einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat. Erst jetzt betreibt die Motorsteuerung 2 den Verbrennungsmotor 1 mit Kraftstoffüberschuß so, daß sich als Grenz-Abgas-Eintrittstemperatur ein Wert von 850°C einstellt.

Da sich die Beharrungstemperaturen TB für den Betrieb mit Lambda = 1 und den Betrieb mit Lambda < 1 unterscheiden, müssen zur Berechnung der Beharrungstemperatur TB abhängig von der Betriebsart verschiedene Werte angenommen werden, was durch die Abfrage in Schritt 16 dargestellt ist: während für den Betrieb mit Lambda = 1 die Beharrungstemperatur TB aus einem Kennfeld abhängig vom aktuellen Betriebspunkt ermittelt wird, wird für den Betrieb mit Lambda < 1 die Beharrungstemperatur TB auf den festen Wert von 850°C gesetzt, der von der Motorsteuerung 2 in diesem Bereich weitgehend konstant eingeregelt wird.

Die Rückschaltung vom Betrieb mit Lambda < 1 zum Betrieb mit Lambda = 1 wird vorteilhafterweise hysteresebehaftet erfolgen, d. h., dieser zweite Grenzwert wird unter dem ersten Grenzwert von 850°C liegen. Diese Grenzlinie ist, vereinfachend gesagt, die Verbindungslinie der Betriebspunkte, bei der die Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator die kritische Temperatur von 850°C erreicht. Sie entspricht der Grenzlinie, bei der im stationären Betrieb vom lambdageregelten Betrieb auf den Betrieb mit Kraftstoffüberschuß umgeschaltet wird.

Da zur Berechnung der aktuellen Temperatur T(t) jeweils auch die zuvor ermittelte Temperatur T(t-Dt) benötigt wird, ist es unbedingt notwendig, daß die Temperatur T(t) fortlaufend in allen Betriebspunkten, also auch in Betriebspunkten wie Leerlauf oder Schub, ermittelt wird.

Über die bereits beschriebenen Schritte hinaus muß eine u. U. in der Motorsteuerung 2 vorgesehene Funktion zur Schubabschaltung berücksichtigt werden, da der Betrieb der Schubabschaltung nicht aus dem Betriebspunkt erkennbar ist. Für diesen Fall ist zwischen Schritt 15 und Schritt 16 eine Abfrage zu schalten, mit der der Zustand der Schubabschaltung geprüft wird. Bei ausgeschalteter Schubabschaltung wird bei Schritt 16 fortgefahren, während bei eingeschalteter Schubabschaltung die Beharrungstemperatur TB auf einen konstanten oder von der Ansauglufttemperatur TL bzw. der Fahrgeschwindigkeit v abhängiger Wert gesetzt und bei Schritt 22 fortgefahren wird.

Um bei fehlerhafter Temperaturermittlung eine Verschlechterung des Emissions- oder Verbrauchsverhaltens des Verbrennungsmotors 1 durch unnötigen Kraftstoffüberschuß zu vermeiden, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Motorsteuerung 1 nur dann auf den Betrieb mit Lambda < 1 umschaltet, wenn Lastgröße L und Motordrehzahl Nmot oberhalb einer vorgegebenen Grenzlinie liegen. Als Sicherheitsfunktion für den Fall der Ermittlung eines deutlich zu kleinen Temperaturwertes kann es fernerhin vorgesehen sein, bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 1 oberhalb der Grenzlinie nach einer vom Betriebspunkt abhängigen Zeit auf den Betrieb mit Kraftstoffüberschuß umzuschalten, da mit Ablauf dieser Zeit in jedem Fall davon auszugehen ist, daß die Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 8 die Grenztemperatur erreicht hat.

Zur Vereinfachung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, die Zeitkonstante Tau nicht durch die Lastgröße L und die Motordrehzahl Nmot, sondern nur abhängig von der Größe eines Luftmassendurchsatzes zu ermitteln. Die Größe des Luftmassendurchsatzes wird, wie auch schon die anderen verwendeten Größen, in bekannten Fahrzeugen z. B. für die Motorsteuerung bereits erfaßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde am Beispiel der Ermittlung der Abgas-Eintrittstemperatur in den Katalysator 8 dargestellt. Dieses Verfahren eignet sich in gleicher Weise zur Überwachung aller anderen insbesondere im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 liegenden Motorkomponenten. So sind weitere mögliche Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren die Ermittlung und Überwachung der Temperatur eines Abgaskrümmers, die Ermittlung und Überwachung der Temperatur eines Auslaßventiles oder die Ermittlung und Überwachung der Temperatur der Lambda-Sonde 6.

Claims (9)

1. Verfahren zur Motorsteuerung (2), insbesondere für einen Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeu­ ges, die Meßwerte erhält und verarbeitet, welche in Steuerdaten für den Betrieb des Verbrennungsmo­ tors (1) umgewandelt und über Steuerleitungen (4) an den Verbrennungsmotor (1) weitergeleitet werden, wobei eine Temperatur einer Motorkomponente (8), die dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschaltet ist, berücksichtigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Motorkomponente (8) aus einer zuvor ermittelten Temperatur (T(t-Dt) und einer Beharrungstemperatur (TB) mittels einer Übergangs­ funktion hergeleitet wird, wobei die Beharrungstemperatur (TB) in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotores (1) durch ein Kennfeld ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitkonstante (Tau) der Übergangs­ funktion aus einem Kennfeld in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitkonstante (Tau) der Übergangs­ funktion aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von einem Luftmassendurchsatz des Verbrennungsmotors (1) ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Totzeit (m) der Übergangsfunktion aus einen Kennfeld in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kenn­ feld für die Beharrungstemperatur (TB) enthaltenen Werte abhängig von weiteren Betriebsgrößen des Fahrzeuges korrigiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsgröße zumindest die Größe einer Ansauglufttemperatur (TL), eines eingelegten Getriebeganges und einer Zündwinkelkorrektur (KR) verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Temperatur (T(t)) der Motorkomponente (8) nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) fortwährend durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Temperatur für eine Abgaseintrittstemperatur in einen Katalysator (8) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Temperatur zumindest für einen Abgaskrümmer, ein Auslaßventil oder eine Lambda-Sonde (6) durchgeführt wird.