DE102004033394B3

DE102004033394B3 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004033394B3
Application number: DE102004033394A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Haft
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-07-10
Also published as: US7726117B2; KR20070029826A; WO2006005678A1; JP2008506062A; EP1766210A1; US20070186541A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung, die die Abgastemperatur über das Luft-/Kraftstoffgemisch einstellt und die ein Temperaturmodell besitzt, das eine prädizierte Temperatur für ein Bauteil im Abgastrakt bestimmt, die sich bei Beibehaltung der aktuellen Betriebs- und Fahrbedingung nach einer längeren Zeitdauer einstellt, wobei die Motorsteuerung zum Bauteilschutz die Abgastemperatur abhängig von der prädizierten Temperatur regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung, die die Abgastemperatur über das Luft-/Kraftstoffgemisch einstellt und die ein Temperaturmodell besitzt.
Bei Brennkraftmaschinen werden zur Einhaltung von Emissionsvorschriften Katalysatoren im Abgastrakt zur Reinigung der Abgase eingesetzt. Zur Überwachung der Temperatur der Katalysatoren wird in der Motorsteuerung ein Temperaturmodell verwendet, das die Abgas- und/oder Katalysatortemperatur berechnet. Abhängig von der berechneten Temperatur werden bei einer zu hohen Temperatur Kühlungsmaßnahmen zum Schutz des Katalysators eingeleitet. Solche Kühlungsmaßnahmen bestehen aus einer Änderung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses in Richtung zu einem Kraftstoffüberfluss, sog. Anfetten des Gemischs. Das Anfetten wird von einem Regler übernommen, an dessen Eingang die Differenz aus simulierter und maximal zulässiger Katalysatortemperatur anliegt. Bei diesem Ansatz tritt das Problem auf, dass die reale Katalysatortemperatur erst mit einer erheblichen Verzögerung auf das Anfetten reagiert. Für den Regler liegt also eine lange Regelstrecke vor. Das Temperaturmodell in der Motorsteuerung berücksichtigt diese lange Regelstrecke und bildet das verzögerte Verhalten des Katalysators nach. Dies führt je nach gewählten Regelparametern entweder zu einem Schwingungszustand des Reglers, oder zu einem Überschwingen der Katalysatortemperatur bei der ersten Aktivierung des Reglers.

In der DE 199 28 561 A1 wird ein Verfahren zur Schätzung von Temperaturgrößen im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors beschrieben. Mit Hilfe eines elektronischen Steuergeräts wird die aktuelle Rohrwandtemperatur des Abgasrohres über ein im Steuergerät abgespeichertes Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld wurde zuvor durch einen am Abgasrohr angebrachten Temperatursensor empirisch ermittelt.

Die DE 101 47 619 A1 offenbart ein Verfahren, in dem ein Lambda-Wert in Abhängigkeit von einer modulierten oder gemessenen Temperatur an wenigstens einer kritischen Stelle der Abgasanlage derart vom Normalbetrieb abweichend auf einen temperaturabhängigen Lambda-Wert eingestellt wird, dass eine Abgastemperatur abgesenkt wird, wenn die ermittelte Temperatur einen vorbestimmten Temperaturwert überschreitet.

Aus DE 102 01 465 B4 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Bauteilschutzfunktion für einen Katalysator bekannt. Hierzu wird die modulierte Abgastemperatur als Funktion des Lambda-Werts und weiterer Größen aufgefasst. Mit Hilfe der inversen Funktion wird für einen maximalen Temperaturwert dann ein Lambda-Sollwert für den Bauteilschutz berechnet. Wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine der Bauteilschutz aktiviert, so wird der Lambda-Wert auf den so berechneten Lambda-Sollwert gesetzt. Problematisch an diesem Verfahren ist, dass das Abgastemperaturmodell nur unter gewissen Annahmen invertierbar ist. Wird in dem Temperaturmodell auch die Temperaturänderung in dem Katalysator aufgrund der exothermen chemischen Reaktionen berücksichtigt, so besteht kein einfacher Zusammenhang, der die Invertierung der Funktion zulässt. Es liegt dann allenfalls ein stückweise bijektiver Zusammenhang zwischen Temperatur und Lambda-Wert vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, das ohne großen Rechenaufwand für die Motorsteuerung in kurzer Zeit einen wirksamen Bauteilschutz bietet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche bilden bevorzugte Ausführungsformen.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung. Die Motorsteuerung stellt die Abgastemperatur über das Luft-/Kraftstoffgemisch ein und besitzt ein Temperaturmodell, das bevorzugt die Temperatur für ein zu schützendes Bauteil im Abgastrakt berechnet. Ein solches Bauteil kann beispielsweise der im Abgastrakt angeordnete Katalysator und/oder die Turbine eines Abgasturboladers sein. Das Temperaturmodell bestimmt für das im Abgastrakt angeordnete Bauteil eine prädizierte Temperatur. Die prädizierte Temperatur ist die Temperatur, die sich bei Beibehaltung der aktuellen Betriebs- und Fahrbedingung nach einer längeren Zeit einstellt. Eine prädizierte Bauteiltemperatur benötigt hierbei in der Regel eine längere Zeit, bis die prädizierte Temperatur erreicht ist als eine prädizierte Abgastemperatur. Gleichwohl können beispielsweise beim Kaltstart Ist-Wert und prädizierter Wert für die Abgas temperatur voneinander abweichen. Nachfolgend wird/werden mit prädizierter Temperatur stets die prädizierte Bauteiltemperatur oder die prädizierte Abgastemperatur oder beide Temperaturen bezeichnet. Das erfindungsgemäße Temperaturmodell der Motorsteuerung berechnet also alternativ oder zusätzlich zu der aktuellen Temperatur auch die Temperatur, die sich im Dauerbetrieb einstellen wird. Die Motorsteuerurg regelt zum Bauteilschutz erfindungsgemäß die Abgastemperatur abhängig von der prädizierten Temperatur. Eine oder mehrere weitere Größen können bei der Regelung noch benutzt werden. Die Problematik der langen Regelstrecke, wie sie im Stand der Technik auftritt, wird durch Verwendung der prädizierten Temperatur wirkungsvoll vermieden. Auch die bei der Invertierung des Temperaturmodells auftretende Ungenauigkeit wird erfindungsgemäß vermieden, ebenso wie die Vernachlässigung gewisser Abhängigkeiten wie beispielsweise der Exothermie.

Es wird ferner nach der lehre der Erfindung während des Regelvorgangs stets der aktuell sich ergebende prädizierte Temperaturwert ermittelt und als Eingangsgröße an dem Regler angelegt. Ferner ist der vorbestimmte Schwellenwert dabei kleiner als der maximal zulässige Temperaturwert. Bevorzugt ist als Regler ein Integral-Regler (Anspruch 2) vorgesehen, bei dem sich die Stellgröße als Summe aus dem Ist-Wert und einer gewichteten Differenz aus prädizierter Temperatur und maximal zulässigem Temperaturwert ergibt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als zu schützendes Bauteil auf den Katalysator abgestellt (Anspruch 3). In diesem Fall ist die prädizierte Temperatur die Katalysatortemperatur. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, auf einen Turbolader (Anspruch 4) oder ein anderes Bauteil im Abgastrakt abzustellen. Bei dem Turbolader wird auf die Abgastemperatur vor dem Turbolader abgestellt und deren Wert prädiziert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Regelvorgangs in vorbestimmten Zeitabständen der Wert für die prädizierte Temperatur neu berechnet (Anspruch 5). Vorzugsweise erfolgt die Regelung der Temperatur auf einen maximal zulässigen Temperaturwert (Anspruch 6).

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von zwei Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 das Verhalten eines I-Reglers für den Katalysatorschutz unter Verwendung einer prädizierten Katalysatortemperatur und
2 das Verhalten zweier unterschiedlich eingestellter I-Regler für den Katalysatorschutz unter Verwendung der aktuellen Katalysatortemperatur.
1 zeigt mehrere für das erfindungsgemäße Verfahren ausschlaggebende Größen über einer gemeinsamen Zeitachse t. Zum Zeitpunkt T₁ steigt der Luftmassenstrom in den Motor 10 sprunghaft an. Das Temperaturmodell berechnet für den angestiegenen Wert des Luftmassenstroms 10 die prädizierte Temperatur 12, die sich für den Katalysator bei dem erhöhten Luftmassenstrom im Dauerbetrieb einstellen wird. Die aktuelle Katalysatortemperatur 14 steigt nachfolgend auf den Lastsprung in T₁ an und erreicht im Zeitpunkt T₂ eine Einschaltschwelle 16 für die Katalysatorschutzfunktion.
Nachfolgend auf T₂ setzt der I-Regler zur Regelung der Abgastemperatur über ein Anfetten des Luft-/Kraftstoffgemischs ein. Die Signale des I-Reglers sind in 1 mit 18 gekennzeichnet. Eingangsgrößen zu dem Regler ist die prädizierte Katalysatortemperatur 12 und ein maximal zulässiger Temperaturwert 28 für den Katalysator. In einem nachfolgenden Intervall 22 ist die Regelgröße 18 bereits gefallen, da sich der prädizierte Temperaturwert 12 weiter an die Zielgröße, den maximal zulässigen Temperaturwert 28, angenähert hat. Der Ist-Wert 14 nähert sich ebenfalls dem Temperaturwert 28 an. In dem nachfolgenden Intervall 24 ist der prädizierte Wert 12 für die Katalysatortemperatur bereits um ungefähr die Hälfte gefallen, sodass der Regeleingriff 18 sich weiter vermindert. 2 zeigt den aufgrund des Regeleingriffs entstehenden Temperaturverlauf 26 an dem Katalysator. Die Temperatur 26 nähert sich ohne starkes Überschwingen dem mit 28 gekennzeichneten Temperaturwert für die zulässige maximale Katalysatortemperatur an. Zum Vergleich ist in 1 der Temperaturverlauf 30 dargestellt, der sich ohne Regeleingriff ergeben hätte. In diesem Fall nähert sich erwartungsgemäß die Temperatur 30 des Katalysators dem unmittelbar nach dem Lastsprung prädizierten Temperaturwert 12 an.
2 zeigt beispielhaft den Verlauf der Katalysatortemperatur, wie er sich bei der Verwendung zweier unterschiedlicher I-Regler unter Verwendung der aktuellen Katalysatortemperatur ergibt. Erneut erfolgt zum Zeitpunkt T₁ ein Lastsprung, der durch den sprunghaft ansteigenden Luftmassenstrom 32 dargestellt ist. Die aktuelle Ist-Temperatur 34 des Katalysators steigt nach T₁ an und schneidet im Zeitpunkt T₂ die vorbestimmte Einschaltschwelle 36 für die Katalysatorschutzfunktion. Nachfolgend setzt in dem Beispiel ein I-Regler ein, der ein Anfetten des Luft-/Kraftstoffgemischs abhängig von der aktuellen Ist-Temperatur 34 des Katalysators und einem vorbestimmten Soll-Wert 38 durchführt.
Der um den Soll-Wert 38 schwingende Temperaturverlauf 40 mit den zugehörigen Stellgrößen 42 des Reglers entsteht, wenn ein schnell reagierender I-Dämpfer gewählt wird. In diesem Fall können schwingende Reglerzustände 40 auftreten, bei denen der maximal zulässige Wert für die Katalysatortemperatur 38 immer wieder überschritten wird. Wird ein langsam reagierender I-Regler eingesetzt, so tritt der mit 44 gekennzeichnete Temperaturverlauf und die zugehörige Regelgröße 46 auf. Der Temperaturverlauf 44 zeigt ein deutliches Überschwingen, das längere Zeit bis zum Abklingen benötigt. Zum Vergleich ist der nicht geregelte Temperaturverlauf mit 48 eingezeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wurde vorstehend für den Bauteilschutz eines Katalysators beschrieben. Auch andere Bauteile im Abgastrakt können durch die Verwendung der prädizierten Temperatur wirkungsvoll geschützt werden. Bei einem Abgasturbolader wird beispielsweise auf die Abgastemperatur vor der Turbine abgestellt.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einer Motorsteuerung, die für einen Bauteilschutz im Abgastrakt die Abgastemperatur über das Luft-/Kraftstoffgemisch einstellt und die ein Temperaturmodell besitzt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bestimmen einer prädizierten Temperatur (12) für ein Bauteil im Abgastrakt, die sich bei Beibehaltung der aktuellen Betriebs- und Fahrbedingung (10) nach einer längeren Zeitdauer einstellt, und Regeln der Abgastemperatur über das Luft-/Kraftstoffgemisch in Abhängigkeit von der prädizierten Temperatur und einem zulässigen maximalen Temperaturwert (28) des Bauteils, nachdem ein aktueller Temperaturwert des Bauteils eine Einschaltschwelle (16) für den Bauteilschutz überschritten hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regler ein Integral-Regler vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator im Abgastrakt als Bauteil vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbolader im Abgastrakt als Bauteil vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Regelvorgangs in vorbestimmten Zeitabschnitten der Wert für die prädizierte Temperatur neu berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur auf den zulässigen maximalen Temperaturwert (28) geregelt wird.