Vorrichtung und Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine. Insbesondere die Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventilen einer Brennkraftmaschine kann im Betrieb nur mit sehr hohem Aufwand gemessen werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Temperatur an einer leichter zugänglichen Stelle der Brennkraftmaschine zu messen und die Stegtemperatur mit Hilfe eines Rechenmodells basierend auf der Motordrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge, der Ladelufttemperatur und der Kühlwassertemperatur zu ermitteln.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur indirekten Ermittlung einer Temperatur an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 beziehungsweise 5.

[0002] Die Anforderungen an ein modernes Motormanagement werden im Hinblick auf Verbrauch, Leistung, Emissionen und auch aufgrund der Wettbewerbssituation immer größer. Ein Baustein, der zur Verbesserung bzw. Optimierung all dieser Disziplinen speziell beim Dieselmotor führt, ist das sogenannte Motorwärmemanagement. Ein Ziel hierbei ist, den Motor schnellstmöglich auf eine gewünschte Solltemperatur aufzuheizen. Darüber hinaus soll im weiteren Betrieb eine höchst zulässige Betriebstemperatur nicht überschritten werden.

[0003] Hierzu ist die Kenntnis einer Temperatur an einer speziellen Position im Zylinderkopf von großer Bedeutung. Insbesondere die Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventile der Brennkraftmaschine ist von besonderem Interesse. Aus konstruktiven Gründen ist es nicht möglich, diese Temperatur serientauglich sensortechnisch direkt zu erfassen.

[0004] Aus der DE 40 14 966 A1 ist ein Motordiagnoseverfahren bekannt, bei dem die Brennraumtempeatur indirekt bestimmt wird. Hierzu wird eine als Sensorelement ausgebildete Glühkerze verwendet. Dazu wird der temperaturabhängige Innenwiderstand der Glühkerze beziehungsweise des Glühfadens ausgewertet und daraus die Brennraumtemperatur ermittelt.

[0005] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Temperatur an einer schwer zugänglichen Stelle einer Brennkraftmaschine mit geringem zusätzlichen Bauaufwand auf einfache Art und Weise zu ermittelt.

[0006] Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise 5 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

[0007] Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Temperaturen an schwer zugänglichen Stellen einer Brennkraftmaschine auf einfache Art und Weise zu ermitteln. Hierzu wird ein Sensor zur Ermittlung einer Bauteiletemperatur an einer konstruktiv leichter zugänglichen Stelle angeordnet. Weiterhin wird auf Basis der so ermittelten Bauteiletemperatur und weiterer Eingangsgrößen die Temperatur an der schwer zugänglichen Stelle ermittelt. Als weitere Eingangsgrößen werden zumindest die Motordrehzahl, die Kraftstoffeinspritzmenge, die Ladelufttemperatur und die Kühlmitteltemperatur herangezogen. Diese werden entweder direkt über Sensoren ermittelt oder liegen im Steuergerät der Brennkraftmaschine bereits als berechnete Größen vor. Durch diese Vorrichtung lässt sich die Temperatur an schwer zugänglichen Stellen der Brennkraftmaschine ohne größere bauliche Maßnahmen ermitteln.

[0008] Der Sensor zur Ermittlung der Bauteiletemperatur wird bevorzugt an einer von außen zugänglichen Position angeordnet. Dies hat den Vorteil der leichten elektrischen Kontaktierung und der Möglichkeit zum Austausch des Sensors.

[0009] Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur an einem Steg zwischen zwei Auslassventile der Brennkraftmaschine verwendet. Diese Temperatur ist von großer Bedeutung, da dieses Bauteil zum einen thermisch hoch belastet ist und zum anderen die Materialstärke an dieser Stelle relativ gering ist. Außerdem kann die so ermittelte Temperatur als Eingangsgröße für die Motorsteuerung verwendet werden.

[0010] Die Formel zur indirekten Berechnung nach Anspruch 7 hat sich in Versuchen als sehr gut geeignet erwiesen. Dabei haben sich die verwendeten Eingangsgrößen Motordrehzahl, Kraftstoffeinspritzmenge, Ladelufttemperatur und Kühlwassertemperatur als notwendig aber auch hinreichend zur Beschreibung der physikalischen Vorgänge herausgestellt. Durch die Verwendung weiterer Eingangsgrößen kann eine verbesserte Genauigkeit der Ermittlung erreicht werden.

[0011] Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine und

Fig. 2

eine schematische Ansicht des vierten Zylinders von der Ventildeckelseite aus betrachtet.

[0012] Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Vierzylinder-Brennkraftmaschine weist jeweils zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinder Z1 bis Z4 auf. Der Zylinderkopf 2 ist in Fig. 1 perspektivisch dargestellt, wobei die nach rechts gerichtete Fläche des Zylinderkopfes 2 den nicht dargestellten Brennräumen zugewandt ist. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind lediglich die entsprechenden Bohrungen 3, 4 für die Ventile dargestellt. Hierbei sind pro Zylinder Z1 bis Z4 jeweils zwei benachbarte Bohrungen 3a, 3b beziehungsweise 4a, 4b für die Auslass- beziehungsweise Einlassventile vorgesehen. Die beiden Auslasskanäle pro Zylinder Z1 bis Z4 werden jeweils durch einen Steg 5 voneinander getrennt. Das über die Auslasskanäle abgeführte Abgas wird anschließend in einem Abgaskrümmer 6 gesammelt und an eine nicht dargestellte Abgasleitung abgegeben.

[0013] In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zu Versuchszwecken drei Bauteiltemperatursensoren 7a-c an einer Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 angeordnet. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Stelle, an der indirekt eine Temperatur ermittelt werden soll, kann eine von diesen Bauteiltemperatursensoren 7a-c gemessene Bauteiletemperatur T_Bt zur Ermittlung der gewünschten Temperatur T_steg verwendet werden. Erfindungsgemäß wird bevorzugt die Temperatur am Steg 5 zwischen den beiden Auslassventilen 3a, 3b, im folgenden als Stegtemperatur T_steg bezeichnet, ermittelt.

[0014] Wie aus Fig. 2, die den Zylinderkopf 2 des Zylinders Z4 von der Ventildeckelseite aus betrachtet zeigt, zu entnehmen ist erstrecken sich die beiden Bauteiletemperatursensoren 7a und 7b von der Stirnseite 8 des Zylinderkopfes 2 bis in den Bereich des äußersten Auslassventiles 3a des Zylinders Z4. Diese Position ist einerseits von außen gut zugänglich, anderseits liegt sie auch möglichst nahe an der Stelle, an der die Temperatur T_steg ermittelt werden soll. Die Anordnung eines Temperatursensors direkt im Bereich des Steges 5 wäre hingegen konstruktiv sehr aufwendig.

[0015] Ausgehend von der gemessenen Bauteiletemperatur T_Bt kann nun anhand eines Rechenmodells die Stegtemperatur T_steg mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden. Für diese Berechnung werden die Motordrehzahl N_BKM, die Kraftstoffeinspritzmenge KM, die Ladelufttemperatur T_Ll und die Kühlmitteltemperatur T_Km als Eingangsgrößen herangezogen. Durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass diese vier Eingangsgrößen zusammen mit der gemessenen Bauteiletemperatur T_Bt die physikalischen Vorgänge im Brennraum und damit die Temperaturänderung am Steg 5 ausreichend genau beschreiben. Wird eine höhere Genauigkeit benötigt, so können noch weitere Eingangsgrößen verwendet werden. Die vier Eingangsgrößen können entweder direkt mittels nicht dargestellter Sensoren ermittelt werden, zum Beispiel Ladeluft- und Kühlmitteltemperatur, oder liegen bereits in einem nicht gezeigten Steuergerät als berechnete Größen vor, zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzmenge. Wird jeweils die aktuelle Motordrehzahl N_BKM als Eingangsgröße verwendet, so kann auch diese direkt mit Hilfe eines Sensors ermittelt werden. Vorzugsweise wird jedoch vom Steuergerät ein zeitlich gemitteltes Motordrehzahlsignal bereitgestellt.

[0016] Die Ermittlung der Stegtemperatur T_steg erfolgt ausgehend von der gemessenen Bauteiletemperatur T_Bt mit Hilfe eines funktionalen Zusammenhangs, wie er beispielsweise in der folgenden Gleichung dargestellt ist:

mit

(T_steg) = Temperatur am Steg 5

(T_Bt) = gemessene Bauteiletemperatur

(N_BKM) = Motordrehzahl

(KM) = Kraftstoffeinspritzmenge

(T_Kw) = Kühlwassertemperatur

(T_Ll) = Ladelufttemperatur

(k₁) bis (k₈) = Konstanten

[0017] Die Gewichtungsfaktoren k1 bis k8 sind abhängig von der jeweiligen Konfiguration der Brennkraftmaschine 1. Für eine gegebene Brennkraftmaschine 1 erfolgt die Bestimmung dieser Gewichtungsfaktoren bevorzugt mit Hilfe eines mathematischen Identifikationsverfahrens. Hierzu werden auf dem Motorenprüfstand oder im Fahrzeug neben der Bauteiletemperatur T_Bt und den weiteren Eingangsgrößen auch die Stegtemperatur T_steg gemessenen, so dass eine Anpassung der Gewichtungsfaktoren k1 bis k8 an die Messwerte erfolgen kann.

[0018] Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein sehr einfaches Verfahren, da die notwendigen Eingangsgrößen in den Steuergeräten moderner Brennkraftmaschinen 1 bereits verfügbar sind. So ist zusätzlich nur noch ein Bauteiletemperatursensor 7 notwendig, dessen Positionierung hinsichtlich einfacher Konstruktion und möglichst großer Nähe zur Stelle, an der die Temperatur T_steg ermittelt werden soll, optimiert werden kann.

[0019] Neben der bisher beschriebenen Ermittlung der Stegtemperatur T_steg kann entsprechend natürlich auch die Temperatur an beliebig anderen Stellen der Brennkraftmaschine 1 ermittelt werden. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Stellen, die von außen mit Hilfe eines Sensors nur schlecht zugänglich sind.

[0020] Die so ermittelte Stegtemperatur T_steg wird vorzugsweise wiederum als Eingangsgröße für die Motorsteuerung eingesetzt. Sie gibt zum einen Kenntnisse über die aktuelle Brennraumtemperaturen. Zum anderen kann auf der Basis dieser Stegtemperatur T_steg zum Beispiel eine Regelung der Kühlleistung erfolgen, die herkömmlich auf der Basis einer Kühlmitteltemperatur arbeitet.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur indirekten Bestimmung einer Temperatur (T_steg) an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sensor (7) zur Messung einer Bauteiletemperatur (T_Bt) an der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, dass weitere Sensoren zur direkten oder indirekten Erfassung der Motordrehzahl (N_BKM), der Kraftstoffeinspritzmenge (KM), der Ladelufttemperatur (T_Ll) und der Kühlwassertemperatur (T_Kw) vorgesehen sind, und dass ein Steuergerät zur Ermittlung der Temperatur (T_steg) an der vorgegebenen Stelle aus der Bauteiletemperatur (T_Bt) und den weiteren Eingangsgrößen (N_BKM, KM, T_Ll, T_Kw) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (7) an einer von außen zugänglichen Stelle der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor (7) an der Stirnwand (8) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuergerät die Temperatur (T_steg) an einem Steg (5) zwischen zwei Auslassventilen (3a, 3b) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt.

5. Verfahren zur indirekten Bestimmung einer Temperatur (T_steg) an einer vorgegebenen Stelle einer Brennkraftmaschine (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Bauteiletemperatur (T_Bt) an der Brennkraftmaschine (1) gemessen wird, dass weiterhin die Motordrehzahl (N_BKM), die Kraftstoffeinspritzmenge (KM), die Ladelufttemperatur (T_Ll) und die Kühlwassertemperatur (T_Kw) direkt oder indirekt ermittelt werden, und dass in einem Steuergerät aus der Bauteiletemperatur (T_Bt), der Motordrehzahl (N_BKM), der Kraftstoffeinspritzmenge (KM), der Ladelufttemperatur (T_Ll) und der Kühlwassertemperatur (T_Kw) die Temperatur (T_steg) an der vorgegebenen Stelle berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Motordrehzahl (N_BKM) ein zeitlich gemittelter Wert verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatur (T_steg) anhand folgender Formel berechnet wird,

mit

(T_steg) = Temperatur an der vorgegebenen Stelle

(T_Bt) = Bauteiletemperatur

(N_BKM) = Motordrehzahl

(KM) = Kraftstoffeinspritzmenge

(T_Kw) = Kühlwassertemperatur

(T_Ll) = Ladelufttemperatur

(k₁) bis (k₈) = Konstanten

8. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Berechnung der Temperatur (T_steg) weitere Eingangsgrößen verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die indirekt ermittelte Temperatur (T_steg) als Eingangsgröße für die Motorsteuerung verwendet wird.

Zeichnung