DE69309497T2

DE69309497T2 - Steuersystem einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69309497T2
Application number: DE69309497T
Authority: DE
Inventors: Thomas Tsoi-Hei Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2013-12-01
Also published as: EP0677143A1; EP0677143B1; US5655364A; DE69309497D1; WO1994012779A1; GB9225078D0; GB2273174A

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuersystem einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator und einer Heizvorrichtung, um die Temperatur der Katalysatormatrix im Katalysator zu erhöhen.

Hintergrund der Erfindung

In einem Motor mit einer Vorrichtung, um den Katalysator aufzuwärmen, sei es ein Nachbrenner oder ein elektrisches Heizelement, ist ein System erforderlich, um die Heizvorrichtung zu steuern und mögliche Schäden durch Überhitzung am Katalysator zu vermeiden. Das Steuersystem sollte beispielsweise die Heizvorrichtung dann ausschalten, wenn der Katalysator seine Entzündungstemperatur erreicht hat, die Heizvorrichtung bei einem Warmstart am Betrieb hindern und sie erneut aktivieren, wenn der Katalysator bei einem lang anhaltenden Betrieb bei niedriger Last unter seine Entzündungstemperatur fallen sollte.
Es ist natürlich möglich, eine direkte Messung der Temperatur des Katalysators vorzunehmen. Dies ist selbstverständlich vom Kostenaspekt nachteilig; was jedoch noch mehr gegen den Einsatz eines Temperaturfühlers spricht, sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Die vorliegende Gesetzgebung erfordert, daß Fahrzeuge die Emissionsvorschriften nicht nur unmittelbar nach ihrer Herstellung erfüllen, sondern auch nach mehreren Zehntausenden von Meilen Benutzung (gegenwärtig 50000 Meilen und zukünftig 100000 Meilen), und die Lebensdauer eines Fühlers, der in solch einer widrigen Umgebung arbeitet, kann über einen so großen Zeitraum hinweg nicht gewährleistet werden.
EP-A-0 231 611 offenbart ein System und ein Verfahren, um die Temperatur des Betts eines Katalysators vorauszusagen, der im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. In diesem Patent wird die Vorhersage dazu verwendet, die Überhitzung des Katalysators zu verhindern, und sie wird nicht dazu verwendet, um die Betriebsweise einer Heizvorrichtung zu steuern, deren Aufgabe darin besteht, die Anspringzeit des Katalysators zu verringern. Ferner wird die Temperatur auf eine andere Weise als in der vorliegenden Erfindung vorhergesagt.
Der Ausdruck, der im Einklang mit EP-A-0 231 611 zur Vorhersage der Temperatur des Katalysators verwendet wird, lautet wie folgt:
ECTN = ECTN-1 + COEF[f(ARFL)] {EEGT[f(ARFL)] + ECEXT[f(AF)] - ECTN-1}
wobei ARFL der Luftmassendurchsatz des Motors ist, AF das Luftlkraftstoffverhältnis des Motors, ECTN die prognostizierte Katalysatortemperatur, ECTN-1 die zuvor prognostizierte Katalysatortemperatur, EEGT die geschätzte Abgastemperatur beim stöchiometrischen Verhältnis, ECEXT der geschätzte Beitrag zur Katalysatortemperatur seitens exothermer Reaktionen und COEF ein Koeffizient einer Differentialgleichung erster Ordnung, die die Zeitkonstante der Temperaturveränderung des Katalysators als Funktion des Luftmassendurchsatzes darstellt.

Gegenstand der Erfindung

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Steuersystem bereitzustellen, das die Haltbarkeit des Katalysators gewährleistet und gleichzeitig im Bedarfsfall eine effiziente Wirkung des Katalysators sicherstellt, wobei dieses System nicht auf der direkten Messung der Katalysatortemperatur beruht.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator und einer Heizvorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Katalysatormatrix im Katalysator bereitgestellt, wobei das Steuersystem einen elektrischen Schaltkreis umfaßt, um die Temperatur des Katalysators zu schätzen, sowie eine Vorrichtung, um die Heizvorrichtung des Katalysators auf der Grundlage der geschätzten Katalysatortemperatur zu steuern, wobei der elektrische Schaltkreis zur Schätzung der Temperatur des Katalysators eine Speichervorrichtung umfaßt, um ein Signal abzuspeichern, das die geschätzte Katalysatortemperatur darstellt, und eine Vorrichtung zur Modifizierung des abgespeicherten Signals, um die Erwärmung zu berücksichtigen, die aus der Differenz zwischen der geschätzten Abgastemperatur und der geschätzten Katalysatortemperatur entsteht, sowie den Heizeffekt der Heizvorrichtung und den Wärmeverlust des Katalysators an die ihn umgebende Atmosphäre, wobei die Vorrichtung zur Modifizierung des Wertes des abgespeicherten Signals eine Vorrichtung umfaßt, um die Temperatur der Abgase zu schätzen, die den Katalysator erreichen, nachdem sie eine Leitung des Abgassystems passiert haben, indem die Menge an Kraftstoff berücksichtigt wird, die in den Verbrennungskammern des Motors verbrannt wird, sowie die geschätzte Temperatur der Auspuffleitung und die thermische Kapazität der Abgase.
Die Temperatur der Auspuffleitung kann mittels einer weiteren Speichervorrichtung geschätzt werden, die ein Signal speichert, das die geschätzte Temperatur der Auspuffleitung darstellt, einer Vorrichtung zur Modifizierung des gespeicherten Signals mit Erwärmungsparametern, die mit der Temperatur und der thermischen Kapazität der Abgase in Verbindung stehen, die durch die Auspuffleitung strömen, und einer Vorrichtung zur Abschwächung des gespeicherten Signals mit Wärmeverlustparametern, die mit der Differenz zwischen der geschätzten Temperatur der Auspuffleitung und der Umgebungstemperatur in Verbindung stehen.
Die Speichervorrichtung kann ein Kondensator sein und die Vorrichtung zur Modifizierung der gespeicherten Ladung kann Lade- und Entladewiderstände umfassen. Eine solche Ausführungsform besitzt den Vorteil einer leichten Eichung. Die verschiedenen Quellen des Wärmeverlusts und der Wärmezufuhr, sei es Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung, können jeweils durch einen gesonderten Widerstand simuliert werden, und sie können alle leicht von einem Eichtechniker eingestellt werden.
Die Speichervorrichtung kann wahlweise ein numerischer Speicher sein und die Vorrichtung zur Modifizierung des im Speicher befindlichen Wertes kann einen numerischen Prozessor umfassen, der zwecks Vergrößerung oder Verkleinerung des abgespeicherten Wertes im Einklang mit einem beliebigen mathematischen Modell programmiert ist, das zur Emulation der Temperaturveränderungen im Katalysator entworfen ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun weiter auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abbildung 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Motorführung und zur Steuerung der Heizvorrichtung ist; und
Abbildung 2 ein Schaltschema eines Emulators für die Katalysatortemperatur ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Abbildung 1 stellt der mit 10 bezeichnete Block ein System zur Motorführung dar, das die Einstellung der Kraftstoffzufuhr und der Zündung elektronisch auf bekannte Weise steuert. Der Motor ist mit einem Katalysator mit einer Heizvorrichtung 12 ausgestattet, die ein elektrischer Heizer oder ein Nachbrenner sein kann. Ein Steuersystem 14, das mit dem System zur Motorführung 10 verbunden ist, steuert die Heizvorrichtung 12, um zu gewährleisten, daß sich der Katalysator schnellstmöglich abschaltet, ohne sich zu überhitzen. Das Steuersystem vergleicht ein vom Emulator 16 empfangenes Signal mit einem Referenzwert und betätigt dementsprechend die Heizvorrrichtung 12. Es wird ein Emulator 16 statt eines Temperaturmeßfühlers verwendet, sowohl um die Kosten zu senken als auch um eine größere Zuverlässigkeit zu erzielen.
Der Emulator 16 für Katalysatortemperatur kann wie in Abbildung 2 gezeigt gebaut sein. Dieser Schaltkreis umfaßt einen Kondensator, der die thermische Kapazität des Katalysators darstellt. Verschiedene Ladewiderstände R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; laden den Kondensator C aus entsprechenden Spannungsquellen V&sub1;, V&sub2; und V&sub3; auf. Gleichzeitig wird dei Kondensator C über verschiedene Entladewiderstände, R&sub4;, R&sub5; und R&sub6;, entladen.
Die Spannung durch den Kondensator ist jederzeit eine Schätzung der Katalysatortemperatur. Zu diesem Zweck stellen die Spannungen V&sub1;, V&sub2; und V&sub3; die verschiedenen Wärmequellen dar, wie beispielsweise die Verbrennungsgase und den Heizer 12 oder die chemische Katalysereaktion, die innerhalb des Katalysators stattfindet. Die Größen der Widerstände R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; bestimmen zusammen mit der Größe des Kondensators C die Zeitkonstante, mit der die Spannung des Kondensators ansteigt, wobei diese Größen so eingestellt sind, daß dabei die Rate des Temperaturanstiegs im Katalysator wiedergegeben wird. Andererseits stellen R&sub4;, R&sub5; und R&sub6; die Quellen für den Wärmeverlust dar, wie beispielsweise Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung, und deren Größen sind gleichermaßen so eingestellt, daß sie der Abkühlung des Katalysators entsprechen. Sogar bei abgeschaltetem Motor variiert die Kondensatorspannung auf eine Weise, die die Abkühlung des Katalysators widerspiegelt.
Das Steuersystem kann somit stets mit einem Schätzwert der Katalysatortemperatur versorgt werden. Dies wird es dem Steuersystem gestatten, das Heizelement 12 abzuschalten oder es daran zu hindern, sich einzuschalten, wenn der Schätzwert der Temperatur des Katalysators über der Anspringtemperatur liegt, und den Heizer einzuschalten, wenn der Schätzwert der Temperatur des Katalysators unter die Anspringtemperatur gefallen ist, zum Beispiel als Folge eines anhaltenden Leerlaufzustandes, wenn das Fahrzeug steht.
Es wird für den Fachmann auch ohne detaillierte Beschreibung offenkundig sein, daß die Betriebsweise eines RC-Schaltkreises softwaremäßig emuliert und die Schätzung der Temperatur auf einem entsprechend programmierten Computer durchgeführt werden kann, wobei dieser der Computer zur Motorführung sein kann. Es ist in diesem Falle jedoch wichtig anzumerken, daß der Speicher, in dem die geschätzte Temperatur abgespeichert ist, auch bei abgeschaltetem Motor aktiv bleiben sollte. Es ist möglich, die Schätzung der Temperatur des Katalysators auch bei abgeschaltetem Motor fortzuführen, doch könnte dieses zu einer unnötigen Belastung der Fahrzeugbatterie führen. Es könnte auch die erneute Schätzung der aktuellen Temperatur anhand der im Festwertspeicher gespeicherten Daten zur Darstellung der Temperatur des Katalysators, der Umgebungstemperatur und des Zeitpunktes, zu dem der Motor ausgeschaltet wurde, durchgeführt werden.

Claims

1. Ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator und einer Heizvorrichtung zur Erhöhung der Temperatur der Katalysatormatrix im Katalysator, wobei das Steuersystem einen elektrischen Schaltkreis umfaßt, um die Temperatur des Katalysators zu schätzen, sowie eine Vorrichtung, um die Heizvorrichtung des Katalysators auf der Grundlage der geschätzten Katalysatortemperatur zu steuern, worin der elektrische Schaltkreis zur Schätzung der Temperatur des Katalysators eine Speichervorrichtung umfaßt, um ein Signal abzuspeichern, das die geschätzte Katalysatortemperatur darstellt, und eine Vorrichtung zur Modifizierung des abgespeicherten Signals, um die Erwärmung zu berücksichtigen, die aus der Differenz zwischen der geschätzten Abgastemperatur und der geschätzten Katalysatortemperatur entsteht, sowie den Heizeffekt der Heizvorrichtung und den Wärmeverlust des Katalysators an die ihn umgebende Atmosphäre, wobei die Vorrichtung zur Modifizierung des Wertes des abgespeicherten Signals eine Vorrichtung umfaßt, um die Temperatur der Abgase zu schätzen, die den Katalysator erreichen, nachdem sie eine Leitung des Abgassystems passiert haben, indem die Menge au Kraftstoff berücksichtigt wird, die in den Verbrennungskammern des Motors verbrannt wird, sowie die geschätzte Temperatur der Auspuffleitung und die thermische Kapazität der Abgase.

2. Ein Steuersystem nach Anspruch 1, worin die Temperatur der Auspuffleitung mittels einer weiteren Speichervorrichtung geschätzt wird, die ein Signal speichert, das die geschätzte Temperatur der Auspuffleitung darstellt, einer Vorrichtung zur Modifizierung des gespeicherten Signals mit Erwärmungsparametern, die mit der Temperatur und der thermischen Kapazität der Abgase in Verbindung stehen, die durch die Auspuffleitung strömen, und einer Vorrichtung zur Abschwächung des gespeicherten Signals mit Wärmeverlustparametern, die mit der Differenz zwischen der geschätzten Temperatur der Auspuffleitung und der Umgebungstemperatur in Verbindung stehen.

3. Ein Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin die Speichervorrichtung ein Kondensator ist und die Vorrichtung zur Modifizierung der gespeicherten Ladung Lade- und Entladewiderstände umfaßt.

4. Ein Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin die Speichervorrichtung ein numerischer Speicher ist und die Vorrichtung zur Modifizierung des im Speicher befindlichen Wertes einen numerischen Prozessor umfaßt, der so programmiert ist, das er den abgespeicherten Wert im Einklang mit einem mathematischen Modell, das zur Emulation der Temperaturveränderungen im Katalysator entworfen wurde, vergrößert und verkleinert.