Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines Kraftstoffs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Er ^¬ findung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.

Bei zunehmender Schärfe an gesetzlichen Anforderungen bezüglich Emission von limitierten Schadstoffen ist es erforderlich, den Kraftstoff exakt zum richtigen Zeitpunkt in der idealen Weise in die Brennkammer einzubringen.

Die DE 10 2006 010 094 AI offenbart ein Verfahren zur Tempe ^¬ raturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei ausgehend von mindestens einer Betriebsgröße eine Temperatur bzw. ein Temperaturverlauf eines Abgases im Abgassystem aus einer Energiebilanzierung berechnet wird . Die DE 10 2008 020 933 B4 offenbart ein Verfahren zur Plau- sibilitätsprüfung einer Temperaturmessung bei einer Brennkraftmaschine .

Die DE 44 33 631 AI offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Signals, bezüglich einer Temperatur im Abgassystem einer

Brennkraftmaschine. Mit dem Verfahren kann beispielsweise ein Signal für die Abgastemperatur stromauf des Katalysators ge ^¬ bildet werden oder ein Signal für die Temperatur im Katalysator oder ein Signal für die Temperatur stromab des Katalysators. Die DE 10 2007006 341 AI offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit Bestimmung von verschiedenen Einstellparametern mittels eines elektronischen Steuergeräts in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wobei die Einstellparameter aus einem Grundwert und mindestens einem Korrekturwert gebildet wird und ein Korrekturwert in Abhän ^¬ gigkeit von einer geschätzten Brennraumwandtemperatur bestimmt wird . Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es dazu beizutragen Emissionen zu vermindern.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine . Bei dem Verfahren wird ein Drehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt. Eine Drehzahl der Brennkraftmaschine wird ermittelt. Eine Zylinderwandtemperatur des Zylinders wird ermittelt.

Abhängig von der Zylinderwandtemperatur, der Drehzahl und dem Drehmoment wird der Einspritzzeitpunkt ermittelt.

Anschließend kann abhängig von dem ermittelten Einspritzzeitpunkt das Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine gesteuert werden. Das Drehmoment kann auch als Lastmoment oder als Last bezeichnet werden .

Wird der Einspritzzeitpunkt nur durch Parameter wie Last und Drehzahl bestimmt, so sind diese Parameter nur für bestimmte Brennraumtemperaturen gültig. Bei Änderung der Temperatur wird zum Beispiel das Abdampf erhalten des Kraftstoffs verändert und es kommt zu einer unvollständigen Verbrennung. Die Folge ist eine Überschreitung der Partikelgrenzwerte. Alternativ kann der Einspritzzeitpunkt abhängig von einer Kühlmitteltemperatur ermittelt werden. Allerdings stellt diese Temperatur nicht die in der Brennkammer relevante Bezugsgröße dar.

Durch obiges Verfahren kann durch Verwenden der Zylinder- wandtemperatur eine Verbesserung in der Emissionierung, insbesondere eine Verminderung der Partikelanzahl und Partikelgröße erreicht werden, insbesondere im Vergleich zu einer Ermittlung abhängig von der Kühlmitteltemperatur. Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine Kolbenbodentemperatur des Zylinders ermittelt und abhängig von der Kol ^¬ benbodentemperatur wird der Einspritzzeitpunkt ermittelt. Die Kolbenbodentemperatur kann beispielsweise mittels eines ge ^¬ eigneten Modells ermittelt werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird ein erstes Kennfeld bereitgestellt, das repräsentativ ist für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus vorgesehen ist . Abhängig von dem Drehmoment und der Drehzahl wird ein erster Wert des ersten Kennfelds ermittelt. Der erste Wert wird abhängig von der Zylinderwandtemperatur gewichtet. Abhängig von dem gewichteten ersten Wert wird der Einspritzzeitpunkt ermittelt. Hierdurch kann ein abhängig von dem Drehmoment und der Drehzahl ermittelter Einspritzzeitpunkt einfach abhängig von der Zylinderwandtemperatur angepasst werden. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird ein zweites Kennfeld bereitgestellt, das repräsentativ ist für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist, der sich von dem ersten Betriebsmodus unterscheidet. Abhängig von dem Drehmoment und der Drehzahl wird ein zweiter Wert des zweiten Kennfelds ermittelt. Der zweite Wert wird abhängig von der Zylinderwandtemperatur gewichtet. Abhängig von dem gewichteten zweiten Wert wird der Einspritzzeitpunkt ermittelt. Hierdurch kann, insbesondere bei Verwenden des ersten und zweiten Kennfelds, auf einfache Weise zwischen zwei Parametersätzen ausgewählt werden, bzw. von einem Parametersatz in den anderen Parametersatz überblendet werden. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist das erste Kennfeld repräsentativ für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine in einem normalen Betriebsmodus vorgesehen ist und das zweite Kennfeld ist repräsentativ für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine bei einem Lastwechsel vorgesehen ist.

Insbesondere bei einem Lastwechsel ist ein Parametersatz für eine geringe Emission notwendig, welcher sich von einem Parametersatz für einen normalen Betriebsmodus unterscheidet. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Überblendfunktion zwischen dem ersten Kennfeld und dem zweiten Kennfeld erreicht werden. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zylinderwandtemperatur mittels eines vorgegebenen Zylinderwandtemperaturmodells ermittelt.

Hierdurch ist kein Referenzsensor notwendig. Durch die Verwendung eines Zylinderwandtemperaturmodells kann die reale Zylinderwandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist das Zylinderwandtemperaturmodell ein thermodynamisches Temperaturmo ^¬ dell.

Gerade mit einem thermodynamischen Modell, welches bei ^¬ spielsweise auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik basiert, kann die reale Zylinderwandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden .

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die ermittelte Zylinderwandtemperatur repräsentativ für eine dynamische Zylinderwandtemperatur, die abhängig von einer statischen Zylinderwandtemperatur ermittelt wird.

Durch die Ermittlung einer dynamischen Zylinderwandtemperatur kann die thermische Trägheit des Zylinderkopfs und des Mo ^¬ torblocks berücksichtigt werden, so dass die reale Zylinder ^¬ wandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden kann.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zylinderwandtemperatur abhängig von einem ermittelten Zylinderdruck, einem ermittelten Hubvolumen des Zylinders, einer ermittelten Luftmasse und einem ermittelten indizierten Motormoment ermittelt. _r

Diese Größen, also der Zylinderdruck, das Hubvolumen des Zylinders, die Luftmasse und das indizierte Motormoment, sind sehr einfach durch meist schon vorhandene Sensorik und/oder durch Motordaten ermittelbar, so dass hiermit das Zylinderwandtem- peratur sehr einfach und kostengünstig realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zylinderwandtemperatur abhängig von einer ermittelten Abgastemperatur ermittelt.

Durch die Ermittlung abhängig von einer ermittelten Abgastemperatur kann die Zylinderwandtemperatur sehr exakt bestimmt werden .

Alternativ kann die Zylinderwandtemperatur auch frei von der Abgastemperatur ermittelt werden, die Abgastemperatur ist also für die Bestimmung der Zylinderwandtemperatur nicht notwendig. Es ist somit auch keine exakte Modellierung der Abgastemperatur bzw. ein Abgastemperatursensor notwendig.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Zylinderwandtemperaturmodell die modularen Zwischengrößen mittlere Gastemperatur im Zylinderraum, indizierten Mitteldruck des Zylinders, Wärmeübergangskoeffizient im Brennraum und statische Zylinderwandtemperatur .

Der Vorteil eines solchen Zylinderwandtemperaturmodells liegt in der modularen physikalischen Modellierung. Somit können komponentenabhängig Zwischengrößen bestimmt werden. Dies erlaubt eine einfache Kalibrierung der Zylinderwandtemperatur, da keine mehrdimensionalen Abhängigkeiten in Kennfeldern für die Ermittlung der Zylinderwandtemperatur bestimmt werden müssen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ablaufdiagramm zum Ermitteln eines Einspritz- Zeitpunkts,

Figur 2 ein weiteres Ablaufdiagramm zum Ermitteln eines

Einspritz Zeitpunkts , Figur 3 ein Graph mit Werten von ermittelten Zylinderwandtemperaturen .

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts zum Einspritzen eines

Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine . Das Programm kann beispielsweise von einer Steuervorrichtung 50 abgearbeitet werden. Die Steuervorrichtung 50 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Daten ^¬ speicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunika ^¬ tionsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikations ^¬ schnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein. Auf dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung 50 ist hierfür insbesondere das Programm gespeichert.

Die Steuervorrichtung 50 kann auch als Vorrichtung zum Ermitteln des Einspritzzeitpunkts bezeichnet werden. In einem Schritt Sl wird das Programm gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.

In einem Schritt S3 wird ein Drehmoment M der Brennkraftmaschine ermittelt.

In einem Schritt S5 wird eine Drehzahl N der Brennkraftmaschine ermittelt . In einem Schritt S7 wird eine Zylinderwandtemperatur ZT des Zylinders ermittelt.

In einem Schritt S9 wird abhängig von der Zylinderwandtemperatur ZT, dem Drehmoment M und der Drehzahl N der Einspritzzeitpunkt ermittelt.

In einem Schritt Sil wird das Programm beendet und kann ge ^¬ gebenenfalls wieder in dem Schritt Sl gestartet werden. Al ^¬ ternativ wird das Programm wieder in dem Schritt S3 fortgesetzt und nicht beendet.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm zum Ermitteln eines Einspritzzeitpunkts, insbesondere zeigt Figur 2 ein detail ^¬ liertes Beispiel des Schrittes S7.

Hierbei wird ein erstes Kennfeld bereitgestellt, das reprä ^¬ sentativ ist für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebsmodus vorgesehen ist. Abhängig von dem Drehmoment M und der Drehzahl N wird in einem Schritt S701 ein erster Wert des ersten Kennfelds ermittelt.

In einem Schritt S703 wird der erste Wert abhängig von der Zylinderwandtemperatur ZT gewichtet, beispielsweise indem die Zylinderwandtemperatur ZT normiert wird und mit dem ersten Wert multipliziert wird.

Optional wird ein zweites Kennfeld bereitgestellt, das re- präsentativ ist für ein Kennfeld zur Ermittlung des Einspritzzeitpunktes, welches für eine Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist, der sich von dem ersten Betriebsmodus unterscheidet. Abhängig von dem Drehmoment M und der Drehzahl N wird in einem Schritt S705 ein zweiter Wert des zweiten Kennfelds ermittelt.

In einem Schritt S707 wird der zweite Wert abhängig von der Zylinderwandtemperatur ZT gewichtet, beispielsweise indem die Zylinderwandtemperatur ZT normiert wird und von dem Wert 1 subtrahiert wird und das Ergebnis davon mit dem zweiten Wert multipliziert wird.

In einem Schritt S709 wird abhängig von dem gewichteten ersten Wert und/oder abhängig von dem gewichteten zweiten Wert der Einspritzszeitpunkt ermittelt, beispielsweise indem der erste Wert mit dem zweiten Wert addiert wird.

Die Zylinderwandtemperatur wird beispielsweise mittels eines vorgegebenen Zylinderwandtemperaturmodells ermittelt.

Zur Ermittlung des Zylinderwandtemperaturmodells kann bei ^¬ spielsweise der erste Hauptsatz der Thermodynamik angewendet werden : dU ₌ dQ _{fuel |} dQ _{w |} dW _{t |} dH _{inlet |} dH _{exhaust |} dH _blowby dCRK dCRK dCRK dCRK dCRK dCRK dCRK ^'

Die Summe aus der über den Kraftstoff zugeführten Wärme ^d Qfuel ₌ ^dm fuel

dCRK dCRK entspricht dem Wandwärmestrom

der technischen Arbeit

dW _t dV _cyl

dCRK ^Pcyl dCRK ' dem über Einlassventile eintretenden Enthalpiestrom

dH _inlet _ y » ^ ^m inlet,k

dCRK " ^in!et ' ^k dCRK dem entsprechenden über Auslassventile austretenden Enthai piestrom dH _0Utlet _ d ^m outiet,k y ^ * dm _{ouüe k}

dCRK dCRK ^ ^' * dCRK und dem Leckagaeenthalpiestrom

Als Vereinfachung kann diese Energiebilanzierung beispielsweise in eine Bilanzierung der Wärmeströme überführt werden. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem konvektiven Wärmestrom an die Zylinderwandtemperatur, der durch die Zylinderwand durch Wärmeleitung transportierten und wiederum durch Konvektion übertragenen Wärmestrom an das Kühlmittel hergestellt:

dZ CW

^coolant ^' ^cool ^' ^ CW ,cool ^ cool)

dt

Hierbei werden folgende Abkürzungen verwendet: mittlerer Wärmeübergangskoeffizient der Gasseite,

A G wirksamer Wärmestromquerschnitt der Gasseite,

T mittlere Temperatur der Gasseite (Zylinderraum) , λ ',CW Wärmeleitfähigkeit der Brennraumwand,

' CW (wirksame) Dicke der Brennraumwand,

A. CW wirksamer Wärmestromquerschnitt der Zylinderwand, lcw mittlere Zylinderwandtemperatur der Brennraumseite, mittlere Zylinderwandtemperatur der Kühlmittelseite,

^coolant Wärmeübergangskoeffizient des Kühlmittels,

wirksame Fläche der Kühlmittelseite, cool Kühlmitteltemperatur,

M cyl wirksame Masse des Zylinders,

C cyl spezifische Wärmekapazität des Zylinders.

Daraus kann ein Berechnungsmodell für den Stationärfall her ^¬ geleitet werden, welches im Prinzip aus drei Teilen besteht. Der erste Teil ist die Bestimmung der gasseitigen Modellparameter. Der dritte Teil beschäftigt sich mit Berechnungen aus dem Thermomanagement . Im zweiten Teil werden diese Berechnungen durch die Berechnung der Wandübergänge zusammengeführt. ^α ΰΑβ (Τ _α T _cw ) — ^CW A _CW (T _CW Tcw.cool) — ^a coolantA _C ool (Tcw,cool Tcool)

Die mittlere Gastemperatur T _G kann unter Kenntnis des Zylinderdrucks P _cyl , des Hubvolumens V der Luftmasse MAF und der Gaskonstante R berechnet werden:

P - V

MAF R ^{1 m}

Hierbei muss die Einlasstemperatur T _in berücksichtigt werden.

Die Parameter al und a2 müssen empirisch ermittelt werden. Optional kann auch noch die Abgastemperatur gewichtet durch den Parameter a3 in die Gleichung einbezogen werden. Die Gastemperatur kann noch durch den Lambdawert korrigiert werden, da die Brenntemperatur bei Lambdawerten <> 1 kühler ist.

Der indizierte Mitteldruck P _cyl wird über das indizierte tormoment TQI und dem Hubvolumen V , berechnet

Die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten a _G im Brennraum kann nach Woschni bestimmt werden

_{1 D} -0,2 r> 0,8 -0,53

a _G =130-5 - P , - T _G - v _G

Die Geschwindigkeit der Ladungsbewegung wird im ersten Ansatz anhand der Kolbengeschwindigkeit approximiert. Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann auch die Ladungsbewegung durch Swirl, Tumble, etc. berücksichtigt werden.

Das Thermomanagement einer Brennkraftmaschine ist sehr komplex aufgrund einer Vielzahl an hydraulischen Steuerelementen

(diverse Pumpen und Schaltventile) . Somit ist es vorteilhaft auf vereinfachte Modelle bzw. Schätzungen zurückzugreifen.

Ein Ansatz ist eine Dimensionsanalyse, beispielsweise durch eine Regressionsanalyse auf Basis des Levenberg-Marquardt- Algorithmus. Aufgrund dieser empirischen Herangehensweise kann die Kühlmittelgeschwindigkeit und die kinematische Viskosität geschätzt werden. Diese Abhängigkeit kann als Polynom bzw. als Kennfeld in der Motorsteuerung approximiert werden. Die Rey- noltszahl Re _t kann anschließend aus dem Innendurchmesser D. des Kühlkanals und der Kühlmittelgeschwindigkeit v _coolant , sowie der kinematischen Viskosität n berechnet werden. Die kinema ^¬ tische Viskosität n ist ein Ausdruck für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Die kinematische Viskosität ist der Quotient aus der dynamischen Viskosität und der Dichte der Flüssigkeit.

D i. v cool ,ant

k n

Die Prantlzahl besitzt eine starke Temperaturabhängigkeit und kann auch als eine Polynomentwicklung bzw. mit Hilfe eines Kennfelds bestimmt werden. Aus der Prantlzahl und der Rey- noldtszahl kann die Nusselt-Zahl ermittelt werden.

Aus der Nusselt-Zahl Nu _coolant , der Wärmeleitfähigkeit des

Kühlmittels λ und des Durchmesses des Kühlkanals D. kann der Wärmeübergangskoeffizient oc _coolant berechnet werden ₌ ^NU coolant - coolant j~

Als letzter Schritt wird aus diesen Zwischengrößen die statische Zylinderwandtemperatur T _{cyl sm} bestimmt a Z +U

z c _r ool

cyl,stat _G +U

U stellt hier den Ersatzwärmeleitwert dar

T _ T

^L CW ¹ cool)

Zur Bestimmung der dynamischen Zylinderwandtemperatur Γ _; muss noch die thermische Trägheit des Zylinderkopfs berücksichtigt werden. Der Parameter k wird dabei aus der wirksamen thermischen Masse des Zylinders und der spezifischen Wärmekapazität er ^¬ mittelt

Tcyi oid steht hierbei für die dynamische Zylindertemperatur aus einem vorigen Berechnungszyklus.

Figur 3 zeigt einen Graph mit Werten von ermittelten Zylinderwandtemperaturen ZT. Die obersten beiden Linien sind re- präsentativ für die mittels des obigen Zylinderwandmodells ermittelte (dynamische) Zylinderwandtemperatur ZT und eine mittels Sensorik ermittelte Referenztemperatur RT . Die Refe- renztemperatur RT ist hierbei die Linie mit dem stärkeren Rauschen. Die dritte Linie von oben ist repräsentativ für die Kühlmitteltemperatur KT. Die vierte Linie von oben ist repräsentativ für das Drehmoment M und die fünfte Linie für die Drehzahl N.

Wie in Figur 3 zu sehen ist, folgt die dynamische Zylinder ^¬ wandtemperatur ZT der Referenztemperatur RT im dargestellten Instationärfall , wo hingegen die Kühlmitteltemperatur KT nur sehr langsam absinkt.

Wird der Einspritzzeitpunkt nur durch Parameter wie Last und Drehzahl bestimmt, so wird bei einer Änderung der Temperatur zum Beispiel das Abdampfverhalten des Kraftstoffs verändert und es kommt zu einer unvollständigen Verbrennung, da die Parameter Last und Drehzahl nur bei bestimmten Brennraumtemperaturen gültig sind. Folglich kann es zu einer Überschreitung der Partikelgrenzwerte kommen. Somit kann durch Verwenden der Zylinderwandtemperatur ZT eine Verbesserung in der Emissionierung insbesondere bei der Partikelanzahl und Partikelgröße erreicht werden, insbesondere im Vergleich zu einer Ermittlung abhängig von der Kühlmitteltemperatur KT. Wird die Zylinderwandtemperatur ZT frei von der Abgastemperatur ermittelt, so ist keine exakte Modellierung der Abgastemperatur bzw. ein Abgastemperatursensor notwendig. Ein Vorteil des obig beschriebenen Zylinderwandtemperaturmodells liegt in der modularen physikalischen Modellierung. Somit können komponentenabhängig Zwischengrößen bestimmt werden. Dies er- laubt eine einfache Kalibrierung der Zylinderwandtemperatur ZT, da keine mehrdimensionalen Abhängigkeiten in Kennfeldern für die Ermittlung der Zylinderwandtemperatur ZT bestimmt werden müssen. Zusätzlich kann eine Kolbenbodentemperatur des Zylinders ermittelt werden und abhängig von der Kolbenbodentemperatur der Einspritzzeitpunkt ermittelt werden. Die Kolbenbodentemperatur kann beispielsweise ebenfalls ähnlich wie die Zylinderwand- temperatur mittels eines geeigneten Modells ermittelt werden. Insbesondere kann somit optional auch der erste Wert des ersten Kennfelds und der zweite Wert des zweiten Kennfelds abhängig von der Zylinderwandtemperatur und der Kolbenbodentemperatur gewichtet werden.

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Bezugs zeichenliste

Schritte

Steuervorrichtung

Kühlmitteltemperatur

Drehmoment

Drehzahl

Referenztemperatur Zylinderwandtemperatur