DE102006010082B4

DE102006010082B4 - Verfahren zum Ansteuern einer Gruppe von Glühkerzen in einem Dieselmotor

Info

Publication number: DE102006010082B4
Application number: DE102006010082A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Toedter; Andreas Dipl.-Ing. Bleil
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2026-03-05
Also published as: DE102006010082A1

Abstract

Verfahren zum Ansteuern einer Gruppe von Glühkerzen in einem Dieselmotor, welche durch individuelle Zuleitungen mit einer Gleichstromquelle verbunden sind und durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation jedenfalls im zeitlichen Mittel bei der gleichen Temperatur betrieben werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Glühkerzen fließende elektrische Strom gemessen und daraus der elektrische Widerstand der Glühkerzen abzüglich des Widerstandes der Zuleitung von einem Steuergerät der Glühkerzen bis zum Glühelement der Glühkerzen im laufenden Betrieb des Motors ermittelt und daraus eine relative Pulsweite berechnet wird, mit welcher die Glühkerzen angesteuert werden.

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 197 18 750 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der Spannungsabfall über der Heizwendel einer Glühkerze abgegriffen und als Maß für deren Temperatur bei der Regelung berücksichtigt.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist auch aus dem Aufsatz "Das elektronisch gesteuerte Glühsystem ISS für Dieselmotoren, veröffentlicht in der DE-Z: MTZ Motortechnische Zeitschrift 61, (2000) 10, S. 668–675, bekannt.
1 zeigt das Blockschaltbild eines Glühkerzen-Steuergerätes 1 zum Durchführen des bekannten Verfahrens. Dieses Steuergerät enthält einen Mikroprozessor 2 mit integriertem Digital-Analog-Wandler, eine Anzahl MOSFET-Leistungshalbleiter 3 zum Ein- und Ausschalten einer gleichen Anzahl von Glühkerzen 4, eine elektrische Schnittstelle 5 zur Verbindung mit einem Motor-Steuergerät 6 und eine interne Spannungsversorgung 7 für den Mikroprozessor 2 und für die Schnittstelle 5. Die interne Spannungsversorgung 7 hat über die ”Klemme 15” des Fahrzeuges Verbindung mit der Fahrzeugbatterie.
Der Mikroprozessor 2 steuert die Leistungshalbleiter 3 an, liest deren Statusinformationen und kommuniziert über die elektrische Schnittstelle 5 mit dem Motorsteuergerät 6. Die Schnittstelle 5 nimmt eine Anpassung der Signale vor, die zur Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät 6 und dem Mikroprozessor 2 benötigt werden. Die Spannungsversorgung 7 liefert eine stabile Spannung für den Mikroprozessor 2 und für die Schnittstelle 5.
Spätestens bei betriebswarmem Motor soll eine Glühkerze eine gleichbleibende Temperatur (Nenntemperatur oder Beharrungstemperatur) beibehalten, für welche ca. 1000°C ein typischer Wert ist. Um die Beharrungstemperatur beizubehalten, wird bei modernen Glühkerzen nicht die volle Spannung aus dem Bordnetz des Fahrzeugs benötigt, sondern lediglich eine Spannung von typisch 5 Volt bis 6 Volt. Der Mikroprozessor 2 steuert die Leistungshalbleiter 3 zu diesem Zweck durch ein Verfahren der Pulsweiten-Modulation, was zur Folge hat, dass die Spannung aus dem Bordnetz, welche den Leistungshalbleitern 3 über die ”Klemme 30” des Fahrzeugs zugeführt wird, so
moduliert wird, dass die gewünschte Spannung an den Glühkerzen im zeitlichen Mittel anliegt. Schwankungen der Bordnetzspannung können durch Verändern der Einschaltzeit bei der Pulsweitenmodulation ausgeregelt werden.
Je nach Motordrehzahl und Motorlast bzw. Motordrehmoment werden die Glühkerzen in den Zylindern des Motors unterschiedlich stark gekühlt. Um dennoch bei betriebswarmem Motor die Glühkerzentemperatur konstant zu halten, wird die den Glühkerzen zugeführte elektrische Leistung den sich ändernden Bedingungen angepasst. Dies geschieht entsprechend den Vorgaben aus dem Motorsteuergerät 6 durch Anheben oder Absenken des für alle Glühkerzen gleichen Endwertes der im zeitlichen Mittel an den Glühkerzen 4 anliegenden Spannung.
Wird eine Gruppe von Glühkerzen aus derselben Gleichstromquelle gespeist und mit derselben Pulsweite angesteuert, erhitzen sich die Glühkerzen dennoch nicht auf die gewünschte Temperatur und nicht auf dieselbe Temperatur, vielmehr streuen die Temperaturen, die die einzelnen Glühkerzen erreichen. Glühkerzen, die sich übermäßig erhitzen, haben eine verringerte Lebensdauer. Glühkerzen, die ihre vorgegebene Endtemperatur nicht erreichen, führen zu einer Verschlechterung des Zündverhaltens des Motors. Einer unerwünschten Verkürzung der Lebensdauer kann man dadurch begegnen, dass man die Steuerung der Glühkerzen auf eine niedrigere mittlere Endtemperatur der Glühkerzen einstellt. Das hat den Nachteil, dass Glühkerzen, die an sich bei höherer Temperatur betrieben werden könnten, vorsichtshalber bei niedrigerer Temperatur betrieben werden, so dass man einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit nutzlos verschenkt. Außerdem bleibt der Nachteil erhalten, dass eine Streuung der von den Glühkerzen erreichten Temperaturen für das Zündverhalten des Motors nicht optimal ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie das Zündverhalten eines Dieselmotors und die Lebensdauer der darin verwendeten Glühkerzen verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird eine Gruppe von Glühkerzen in einem Dieselmotor, welche – von Fertigungstoleranzen abgesehen – vorzugsweise untereinander gleich sind und durch individuelle Zuleitungen mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation angesteuert, um die Glühkerzen jedenfalls in zeitliche Mittel bei der gleichen Temperatur zu betreiben. Zu diesem Zweck wird der elektrische Widerstand der Glühkerze abzüglich des Widerstandes der Zuleitung zum Glühelement der Glühkerzen im laufenden Betrieb des Motors ermittelt und daraus eine relative Pulsweite berechnet, mit welcher die Glühkerzen angesteuert werden.
Unter der relativen Pulsweite wird hier die auf die Länge der Periodendauer der Modulation bezogene Pulsweite verstanden. Vorzugsweise wird die Periodendauer konstant gehalten und stattdessen nur die Pulsweite verändert. Es ist aber auch möglich, die Pulsweite beizubehalten und stattdessen die Periodendauer zu verändern.
Der Widerstand der Zuleitung, welche vom Steuergerät der Glühkerzen zu der jeweiligen Glühkerze bzw. zu ihrem Glühelement führt, ist ein Parameter, welcher mit besonderem Vorteil als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden kann. Da die Zuleitungen unterschiedlich lang sind, ergeben sich bereits dadurch unterschiedliche Zuleitungswiderstände. Ihnen sind in der Zuleitung vorhandene Übergangswiderstände, insbesondere von elektrischen Steckverbindern, hinzuzuschlagen. Zum Zuleitungswiderstand rechnet man zweckmäßigerweise auch den Widerstand der in der jeweiligen Glühkerze verlaufenden, am eigentlichen Glühelement endenden Zuleitung.
Der Widerstand einer Zuleitung vom Glühkerzen-Steuergerät zum Glühelement der Glühkerze beträgt typisch 10 mΩ bis 20 mΩ. Demgegenüber beträgt der Widerstand des Glühelementes einer Glühkerze bei Zimmertemperatur typisch 400 mΩ bis 500 mΩ. Der Widerstand der Zuleitung zum Glühelement der jeweiligen Glühkerze wird unter Vernachlässigung seiner fertigungsbedingten Toleranzen vorzugsweise als konstant angenommen, zweckmäßigerweise mit seinem Nennwert, der für eine Baureihe von Dieselmotoren durch deren Konstruktionsplan als typischer Wert vorgegeben ist. Damit ist es vorteilhaft möglich, den durch die jeweilige Glühkerze fließenden Strom zu messen, daraus unter Berücksichtigung des bekannten Nennwertes des Zuleitungswiderstandes den durch die Zuleitung verursachten Spannungsabfall zu berechnen und daraus unter Berücksichtigung der bekannten oder aktuell gemessenen Spannung der Gleichstromquelle die an der Glühkerze bzw. ihrem Glühelement tatsächlich abfallende Spannung zu berechnen und als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation zu verwenden. Auf diese Weise kann unabhängig vom individuellen Zuleitungswiderstand die effektive Spannung, die am Glühelement der Glühkerze abfällt, optimiert und genauer als bisher eingestellt werden, so dass die unterschiedlichen Widerstände der individuellen Zuleitungen die am Glühelement abfallende effektive Spannung nicht mehr oder nicht mehr nennenswert beeinflussen.
In entsprechender Weise lassen sich im Glühkerzen-Steuergerät auftretende Hochstromverluste ausgleichen, welche für die den einzelnen Glühkerzen zugeordneten Strompfade im Glühkerzen-Steuergerät unterschiedlich sein können. Das Steuergerät enthält typischerweise für jede Glühkerze als Stromtor einen schaltbaren Leistungshalbleiter, insbesondere einen MOSFET, welcher durch eine Rechenschaltung, insbesondere durch einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller, ein- und ausgeschaltet wird. Der Widerstand der im Steuergerät für die einzelnen Glühkerzen vorgesehenen Strompfade kann mit Vorteil als ein weiterer, die Glühkerzentemperatur beeinflussender Parameter gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den Glühkerzen liegenden Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden. In diesem Fall wird, ähnlich wie im Fall der Berücksichtigung des Zuleitungswiderstandes auf dem Weg vom Glühkerzen- Steuergerät zum Glühelement der jeweiligen Glühkerze, als Widerstand des jeweiligen Strompfades im Steuergerät unter Vernachlässigung fertigungsbedingter Toleranzen für eine Baureihe von Glühkerzen-Steuergeräten ein durch dessen Konstruktionsplan vorgegebener Nennwert angenommen. Dieser Nennwert liegt typisch in derselben Größenordnung wie der Nennwert der Widerstände der Zuleitungen vom Steuergerät zu den Glühkerzen. Auch bei der Berücksichtigung der Verluste auf den Strompfaden im Steuergerät wird der durch die jeweilige Glühkerze fließende Strom gemessen, daraus unter Berücksichtigung des bekannten Nennwerts des Widerstandes auf dem jeweiligen Strompfad, vorzugsweise auch unter Berücksichtigung des bekannten Nennwertes des Widerstandes der zugehörigen Zuleitung vom Steuergerät zum Glühelement der Glühkerze, der durch den Strompfad verursachte Spannungsabfall berechnet und daraus unter Berücksichtigung der bekannten oder gemessenen Spannung der Gleichstromquelle die an der Glühkerze bzw. an deren Glühelement tatsächlich abfallende Spannung berechnet und daraus eine Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation berechnet. Auf diese Weise lässt sich auch der Einfluss der Hochstromverluste im Steuergerät auf eine Streuung der Glühkerzentemperaturen ausgleichen.
Die Glühkerzen können einheitlich und insgesamt als Gruppe angesteuert werden. Das ist insbesondere dann sinnvoll, wenn es für den Widerstand der zu den Glühelementen führenden Zuleitungen einen mittleren Wert gibt, von welchem der Widerstand der einzelnen Zuleitungen nur so wenig abweicht, dass durch die vereinfachende Berücksichtigung des Mittelwertes des Widerstandes der Zuleitungen noch eine Annäherung an den wahren Wert des Widerstandes der Glühelemente erhältlich ist, die eine genauere Steuerung von deren Erwärmung erlaubt.
Es ist auch möglich, Untergruppen von Glühkerzen eines Motors einheitlich anzusteuern. Bevorzugt ist es jedoch, die Glühkerzen einzeln und individuell anzusteuern, weil dann der Einfluss des Widerstandes der unterschiedlichen Zuleitungen und auch der Einfluss des Widerstandes der unterschiedlichen Strompfade im Steuergerät individuell berücksichtigt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass außer dem Widerstand der Glühkerze auch weitere Parameter, welche geeignet sind, die Temperatur der einzelnen Glühkerzen zu beeinflussen, als Eingangsgrößen der Steuerung der Glühkerzen durch Pulsweitenmodulation verwendet und damit beim Ansteuern der einzelnen Glühkerzen berücksichtigt werden können. Ein solcher weiterer Parameter, der mit besonderem Vorteil als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden kann, ist der elektrische Widerstand des Glühelements der Glühkerzen, welcher eine fertigungsbedingte Streuung zeigt. Vorzugsweise wird für jede einzelne Glühkerze der elektrische Widerstand ihres Glühelementes im laufenden Betrieb des Motors ermittelt, daraus eine individuelle relative Pulsweite berechnet und mit ihr jede einzelne Glühkerze des Motors individuell angesteuert.
Das hat wesentliche Vorteile:

– Fertigungsbedingte Toleranzen im elektrischen Widerstand der Glühkerzen, die zu einer entsprechenden Streuung der Glühkerzentemperaturen führen, können ausgeglichen werden.
– Da die Glühkerzentemperaturen weniger streuen, kann ihre Steuerung auf eine höhere Beharrungstemperatur ausgelegt werden. Dadurch wird das Zündverhalten des Dieselmotors insbesondere in der Kaltlaufphase verbessert.
– Da die Streuung der Glühkerzentemperaturen durch Anwendung der Erfindung wesentlich verringert wird, kann die Lebensdauer der Glühkerzen erhöht werden. Selbst Glühkerzen, deren Widerstand extrem vom Sollwiderstand abweicht, werden infolge der Berücksichtigung ihres individuellen Widerstandes nicht heißer als solche, die den Sollwiderstand aufweisen.
– Der elektrische Widerstand von Glühkerzen verändert sich mit zunehmendem Alter meist und führt im Stand der Technik zu einer niedrigeren Glühkerzentemperatur, die ein schlechteres Zündverhalten und Startverhalten nach sich zieht. Erfindungsgemäß wird jedoch durch Messen des Widerstandes der einzelnen Glühkerzen und durch Berücksichtigen der individuellen Widerstandsänderungen in der Pulsweitenmodulation der Einfluss solcher Änderungen auf die erreichte Glühtemperatur ausgeglichen. Dazu wird die Änderung des Widerstandes der Glühkerze als Eingangsgröße für die Steuerung der Glühkerze durch Pulsweitenmodulation verwendet, um die relative Pulsweite dem veränderten Glühkerzenwiderstand entsprechend zu verlängern und dadurch die Widerstandsänderung so zu kompensieren, dass sie nicht zu einer Verringerung der Glühkerzentemperatur führt.

Ein weiterer Parameter, der mit Vorteil als Eingangsgröße für die Steuerung durch der an der Glühkerze bzw. an ihrem Glühelement abfallenden effektiven Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden kann, ist die Spannung der Gleichstromquelle, welche die Glühkerzen speist, insbesondere die Spannung der Batterie eines mit dem Dieselmotor ausgerüsteten Fahrzeuges. Diese Spannung kann in Abhängigkeit von der aktuellen Belastung, der Temperatur und dem Alter der Batterie schwanken, wobei die Schwankung zeitabhängig sein und für die Glühkerzen eines Motors unterschiedlich ausfallen kann.
Es ist ein Vorzug der Erfindung, dass sie es auch erlaubt, unterschiedliche Glühkerzentypen zu erkennen, insbesondere zwischen Glühkerzen mit metallischem Glühstab und Glühkerzen mit keramischem Glühstab zu unterscheiden. Unterschiedliche Glühkerzentypen können sich durch unterschiedliche elektrische Widerstände und/oder durch unterschiedliche Wärmekapazitäten unterscheiden. Unterschiedliche Widerstände können durch eine Strom- und Spannungsmessung erfasst werden, unterschiedliche Wärmekapazitäten durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten bei gleicher Heizleistung. Die Möglichkeit, unterschiedliche Glühkerzentypen zu erkennen, hat zwei wesentliche Vorteile: Zum einen können notfalls unterschiedliche Glühkerzen in ein und demselben Motor gleichzeitig benutzt werden, weil es dem Glühkerzen-Steuergerät möglich ist, die unterschiedlichen Glühkerzen dennoch auf dieselbe Beharrungstemperatur zu bringen. Zum anderen kann das Steuergerät durch Speichern von Kennwerten, z. B. des elektrischen Widerstandes bei einer ausgewählten Temperatur von z. B. 20°C, und/oder von Kennlinien verschiedener Glühkerzentypen in die Lage versetzt werden, sich automatisch auf die eingebauten Glühkerzentypen einzustellen. Als Kennlinie kommt besonders die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur in Betracht.
Als weiterer Parameter kann erfindungsgemäß die Temperatur der Glühkerzen gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den Glühkerzen liegenden Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden, insbesondere um die Temperatur der jeweiligen Glühkerze auf einen Sollwert zu regeln. Ist der Widerstand des Glühelementes bekannt, kann man aus der bekannten Abhängigkeit des Widerstandes des Glühelementes von der Temperatur auf die aktuelle Temperatur des Glühelementes rückschließen und diese als Istwert in einen Temperaturregler im Glühkerzen-Steuergerät übernehmen, um sie auf einen vom Steuergerät vorgegebenen Sollwert zu regeln.
Ein weiterer Parameter, der bei der Pulsweitenmodulation Berücksichtigung finden kann, ist die Alterung der jeweiligen Glühkerze. Mit zunehmender Nutzungsdauer der Glühkerze ändert sich deren Widerstand meist, so dass ältere Glühkerzen, welche auf herkömmliche Weise angesteuert werden, mit fortschreitendem Alter eine abnehmende Glühtemperatur zeigen. Dem kann erfindungsgemäß begegnet werden, indem die Alterung bei den Glühkerzen individuell berücksichtigt wird. Als Maß für die Alterung einer Glühkerze kann die seit ihrem Einbau aufgetretene Anzahl von Umdrehungen des Dieselmotors gewählt werden. Diese Zahl kann von einem Motorsteuergerät des Dieselmotors an das Glühkerzensteuergerät geliefert werden oder mittels eines von einem Drehzahlmesser kommenden Drehzahlsignales im Glühkerzen-Steuergerät selbst gebildet werden.
Als Maß für die Alterung einer Glühkerze kann aber auch die Summe der in sie eingespeisten elektrischen Energie gewählt werden. Diese Möglichkeit ist gegenüber der Möglichkeit, die Anzahl von Umdrehungen des Dieselmotors als Maß für die Alterung zu wählen, bevorzugt, weil sie im Glühkerzen-Steuergerät gewählt werden kann, ohne dass dieses dafür ein Eingangssignal von einem Drehzahlmesser oder von einem Motorsteuergerät geliefert bekommen müsste. Als Maß für die in eine Glühkerze eingespeiste Energie wird vorzugsweise das Produkt aus dem Quadrat der am Glühelement der Glühkerze abgefallenen Spannung und der Dauer ihres Anliegens an der Glühkerze gewählt. Dieses Produkt wird für alle oder für ausgewählte Perioden der Pulsweitenmodulation bestimmt und z. B. in einem Zähler summiert. Das Produkt aus dem Quadrat der Spannung und der Dauer ihres Anliegens muss nicht für alle Perioden bestimmt und dann aufsummiert werden. Man könnte sich z. B. auf jede hundertste oder tausendste Periode beschränken. Vorzugsweise berücksichtigt man aber alle Perioden, weil das eine zuverlässigere Aussage über das Altern ergibt, ohne dass es einen Mehraufwand bedeuten würde, denn das Verfahren kann softwaremäßig im Glühkerzen-Steuergerät verwirklicht werden kann, wozu die Software, die die Verfahrensschritte bestimmt, im Speicher eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers abgelegt wird.
Da die Alterung nur langsam voranschreitet, ist es nicht empfehlenswert, den Einfluss der Alterung in jeder Periode der Pulsweitenmodulation zu aktualisieren und in die Steuerung der Pulsweite einfließen zulassen. Besser ist es, den Einfluss der Alterung nur stufenweise oder schrittweise bei der Steuerung der Pulsweite zu berücksichtigen, z. B. dadurch, dass in einem Zähler, welcher die in eine Glühkerze eingebrachte Energie summiert, Zählstufen vorgegeben werden und jedesmal bei deren Erreichen die Pulsweite entsprechend dem Alterungsfortschritt angepasst wird. Die Zählstufen können gleiche Abstände voneinander haben; in diesem Fall ist es vorteilhaft, bei einer Alterung, die nichtlinear von der eingebrachten Energiesumme abhängt, die zwischen zwei Zählstufen zu summierenden Energiebeträge entsprechend der nichtlinearen Abhängigkeit der Alterung von der zunehmenden Energiesumme zu gewichten und so gewichtet zu zählen. Alternativ kann man die Zählstufen auch in ungleichen Abständen anordnen, nämlich so, dass unter Berücksichtigung des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der eingebrachten Energiesumme und der Alterung der Glühkerze von Stufe zu Stufe annähernd das gleiche Ausmaß an Alterung auftritt, welches erfindungsgemäß zu einer entsprechenden Anpassung der relativen Pulsweite bei der Pulsweitenmodulation führt.
Die Alterung der Glühkerzen kann bei der Steuerung der Pulsweite in der Weise berücksichtigt werden, dass eine Kennlinie oder ein Feld von Kennlinien gebildet wird, welche den bei einer oder mehreren bestimmten Temperaturen auftretenden elektrischen Widerstand des Glühelementes einer typischen Glühkerze in Abhängigkeit von der fortschreitenden Alterung angeben. Auf der Grundlage des sich aus der jeweils zutreffenden Kennlinie ergebenden aktuellen Widerstandes der jeweiligen Glühkerze wird erfindungsgemäß die effektive Spannung bestimmt, die am Glühelement der Glühkerzen abzufallen hat, wenn ihnen pro Periode ein bestimmter Energiebetrag zugeführt werden soll, für den das Quadrat des Produktes der am Glühelement anliegenden Spannung und der relativen Pulsweite ein Maß ist.
Die Erfindung erlaubt es, auf Grund aktueller Messungen eine aktuelle Korrektur der relativen Pulsweite durchzuführen. Die Erfindung ermöglicht es darüber hinaus, künftig erforderlich werdende Änderungen der Pulsweite, mit welcher die einzelnen Glühkerzen angesteuert werden, zu prognostizieren, indem für die fortschreitende Änderung eines Parameters, der von Einfluss auf die sich durch die Pulsweitenmodulation ergebende Temperatur der Glühkerze ist, ein Modell gebildet wird. Anhand dieses Modells kann aus einem oder mehreren in der Vergangenheit bestimmten Werten des fraglichen Parameters eine Prognose für den Wert des Parameters in der nächsten Zukunft erstellt und der prognostizierte Wert des Parameters als Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den jeweiligen Glühkerzen anliegenden Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet werden. Das Modell wird vorzugsweise aus Erfahrungswerten über die Entwicklung des jeweils berücksichtigten Parameters gebildet, kann aber auch auf der Grundlage von theoretischen Überlegungen über das Verhalten einer Glühkerze entwickelt werden.
Für eine solche Prognose eignet sich besonders die Entwicklung des Widerstandes des Glühelementes der Glühkerze, so dass vorzugsweise für diese Entwicklung ein Modell gebildet wird. Das Modell gibt vorzugsweise die Veränderung des Widerstandes der Glühkerze für eine oder mehrere ausgewählte Temperaturen in Abhängigkeit von der Alterung der Glühkerze an und kann in Form einer Kennlinie oder eines Kennlinienfeldes im Glühkerzen-Steuergerät abgespeichert werden. Als Maß für die Alterung kann – wie weiter vorne schon erwähnt – z. B. die Summe der seit dem Einbau der Glühkerze aufgetretene Anzahl von Umdrehungen des Dieselmotors oder die Summe der in die Glühkerze eingespeisten elektrischen Energie gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für ein energiegesteuertes Heizen der Glühkerzen. Dabei wird durch das Verfahren der Pulsweitenmodulation die pro Periode in eine einzelne Glühkerze einzubringende elektrische Energie festgelegt. Dieser Energiewert, welcher pro Periode in die einzelne Glühkerze eingebracht werden soll, wird erfindungsgemäß durch Berücksichtigen eines oder mehrerer Parameter, welche für die sich einstellende Temperatur der Glühkerze von Bedeutung sind, angepasst, so dass die Streuung der Temperaturen der einem Motor angehörenden Glühkerzen deutlich verringert wird.
Die Dauer einer Periode bei der taktweisen Ansteuerung von Glühkerzen beträgt typisch 10 ms bis 100 ms, vorzugsweise 30 ms bis 35 ms. In einer solchen Periode kann durch Vorgeben einer Spannung und einer Pulsweite, während welcher die Spannung an der Glühkerze liegt, ein gewisser elektrischer Energiebetrag in die Glühkerze gespeist werden. In derselben Periode kann durch Messen von Strom, Spannung und eventuellen weiteren Parametern die tatsächlich eingebrachte Energie ermittelt und ein Energiefehlbetrag oder ein Energieüberschuss in einer der folgenden Perioden ausgeglichen werden. Vorzugweise geht man so vor, dass der in einer Periode vorliegende Fehlbetrag oder Überschuss an eingebrachter Energie in der nächsten Periode berechnet und in der übernächsten Periode ausgeglichen wird. Starten kann man dabei in einer ersten Periode durch Vorgeben einer für die eingesetzten Glühkerzen bauart-typischen Spannung und bauart-typischen relativen Pulsweite.
Die relative Pulsweite wird zweckmäßigerweise dadurch geändert, dass bei gleichbleibender Periode die absolute Pulsweite geändert wird. Unter der Periode wird hier die Summe aus der Einschaltdauer und der daran anschließenden Ausschaltdauer einer Glühkerze verstanden. Es wäre aber auch möglich, die relative Pulsweite dadurch zu ändern, dass man die absolute Pulsweite konstant halt und stattdessen die Ausschaltdauer bzw. die Dauer einer Periode insgesamt verändert.
Um die Gleichstromquelle durch die Glühkerzen nicht unnötig zu belasten, werden die Glühkerzen nach Möglichkeit zeitlich aufeinanderfolgend angesteuert, d. h., die Einschaltzeiten der Glühkerzen werden so gelegt, dass sie aneinander anschließen. Übersteigt die Summe der Pulsweiten der Gruppe von Glühkerzen die Dauer einer Periode, dann wird die überschießende Pulsweite auf die folgende Periode übertragen, in welcher sie die dort wieder beginnenden Einschaltzeiten der Glühkerzen zeitlich überlappt.
Die Erfindung ermöglicht es, die Streuung der Glühkerzentemperaturen durch Ausgleichen von Parametern, die die Glühkerzentemperaturen beeinflussen, zu minimieren. Die Glühkerzen lassen sich deshalb exakter ansteuern als im Stand der Technik. Dadurch können sowohl die Lebensdauer der Glühkerzen als auch die Nenntemperatur, welche die Glühkerzen im Dauerbetrieb erreichen sollen, angehoben werden. Der Widerstand der Glühelemente der Glühkerzen kann aus Strom und Spannung unter Berücksichtigung der Zuleitungsverluste und der im Glühkerzensteuergerät auftretenden inneren Verluste, welche pauschal aus der konstruktiven Auslegung des Glühkerzensteuergerätes und der Zuleitungen abgeleitet werden können, präziser ermittelt und dadurch der Zustand der Glühkerzen überwacht werden. Erfahrungswerte aus früheren Perioden der Pulsweitenmodulation können zur Optimierung der relativen Pulsweite in späteren Perioden herangezogen werden. Der Einfluss der individuellen Alterung einzelner Glühkerzen kann ausgeglichen werden. Künftige Änderungen des Widerstandes der Glühelemente lassen sich auf der Grundlage eines Modells und/oder durch Beobachten der alterungsbedingten Änderung des Widerstandes des Glühelementes vorausschauend kompensieren. Es ist sogar möglich, Einflüsse auf die Glühkerzentemperatur zu erfassen und auszugleichen, welche von unterschiedlichen Einbaubedingungen und/oder Verbrennungsabläufen und/oder Ladungswechseln in den verschiedenen Zylindern des Dieselmotors herrühren, weil die Temperaturen der einzelnen Glühkerzen individuell erfasst und bei der Festlegung der relativen Pulsweite berücksichtigt werden können.
Besondere Vorteile hat die Erfindung beim Starten eines Motors in der Kaltlaufphase, weil gefahrlos höhere Glühkerzentemperaturen erreicht werden können und weil bei älteren Glühkerzen die alterungsbedingte Veränderung des Widerstandes durch eine individuelle Verlängerung der relativen Pulsweite für die jeweilige Glühkerze ausgeglichen werden kann.

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Gruppe von Glühkerzen in einem Dieselmotor, welche durch individuelle Zuleitungen mit einer Gleichstromquelle verbunden sind und durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation jedenfalls im zeitlichen Mittel bei der gleichen Temperatur betrieben werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Glühkerzen fließende elektrische Strom gemessen und daraus der elektrische Widerstand der Glühkerzen abzüglich des Widerstandes der Zuleitung von einem Steuergerät der Glühkerzen bis zum Glühelement der Glühkerzen im laufenden Betrieb des Motors ermittelt und daraus eine relative Pulsweite berechnet wird, mit welcher die Glühkerzen angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Widerstand der Zuleitung zum Glühelement der jeweiligen Glühkerze unter Vernachlässigung fertigungsbedingter Toleranzen für eine Baureihe von Dieselmotoren ein vorgegebener Nennwert angenommen wird, der durch den Konstruktionsplan des Dieselmotors als typischer Wert vorgegeben ist, dass der durch die Glühkerzen fließende Strom gemessen, daraus unter Berücksichtigung des bekannten Nennwerts des Zuleitungswiderstandes der durch die Zuleitung verursachte Spannungsabfall berechnet und daraus unter Berücksichtigung der bekannten oder gemessenen Spannung der Gleichstromquelle die an dem Glühelement der Glühkerzen tatsächlich abfallende Spannung berechnet und daraus eine Eingangsgröße für die Steuerung der an den Glühelementen im zeitlichen Mittel abfallenden Spannung durch Pulsweitenmodulation berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem ein Steuergerät verwendet wird, in welchem für die Glühkerzen als Stromtor ein schaltbarer Leistungshalbleiter vorgesehen ist, welcher durch eine Rechenschaltung ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der im Steuergerät für die Glühkerzen vorgesehenen Strompfade als ein die Betriebstemperatur der Glühkerzen beeinflussender Parameter gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Widerstand des Strompfades, der den Glühkerzen im Glühkerzen-Steuergerät zugeordnet ist, unter Vernachlässigung fertigungsbedingter Toleranzen für eine Baureihe von Glühkerzen-Steuergeräten ein durch deren Konstruktionsplan vorgegebener Nennwert angenommen wird, dass der durch die Glühkerzen fließende Strom gemessen, daraus unter Berücksichtigung des bekannten Nennwerts des Widerstandes des Strompfades der durch den Strompfad verursachte Spannungsabfall berechnet und daraus unter Berücksichtigung der bekannten oder gemessenen Spannung der Gleichstromquelle die an dem Glühelement der Glühkerzen tatsächlich abfallende Spannung berechnet und daraus eine Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den Glühelementen abfallenden Spannung durch Pulsweitenmodulation berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerzen einzeln angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Zuleitungen zum Glühelement der jeweiligen Glühkerze für jede Zuleitung individuell berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Strompfade im Steuergerät für jeden Strompfad, der einer bestimmten Glühkerze zugeordnet ist, individuell berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Pulsweite unter Berücksichtigung eines oder mehrerer weiterer Parameter berechnet wird, welche die Betriebstemperatur der Glühkerzen beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede einzelne Glühkerze der elektrische Widerstand ihres Glühelementes im laufenden Betrieb des Motors ermittelt, daraus eine individuelle relative Pulsweite berechnet und mit ihr jede einzelne Glühkerze individuell angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung der Gleichstromquelle als ein die Betriebstemperatur der Glühkerze beeinflussender Parameter gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkerzentyp als ein deren Betriebstemperatur beeinflussender Parameter gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den Glühelementen abfallenden Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Glühkerze als ein deren Betriebstemperatur beeinflussender Parameter gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung der im zeitlichen Mittel an den Glühelementen abfallenden Spannung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Glühkerze auf einen Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur der Glühkerze durch Messen des durch die Glühkerze fließenden Stromes unter Berücksichtigung der bekannten oder ermittelten, an dem Glühelement der Glühkerze abfallenden, Spannung und unter weiterer Berücksichtigung der bekannten Abhängigkeit des Widerstandes des Glühelementes der Glühkerze von der Temperatur bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass als ein die Betriebstemperatur der Glühkerze beeinflussender Parameter die Alterung der jeweiligen Glühkerze gewählt und als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Alterung einer Glühkerze die seit ihrem Einbau aufgetretene Anzahl von Umdrehungen des Dieselmotors gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Alterung einer Glühkerze die Summe der in sie eingespeisten elektrischen Energie gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die in eine Glühkerze eingespeiste Energie das Produkt aus dem Quadrat der am Glühelement der Glühkerze abgefallenen Spannung und der Dauer ihres Anliegens an der Glühkerze gewählt, für ausgewählte Perioden der Pulsweitenmodulation bestimmt und summiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Energiesumme alle Perioden berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung der Glühkerze nur stufenweise als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung der Glühkerze berücksichtigt wird, indem eine Kennlinie oder ein Feld von Kennlinien gebildet wird, welche den bei einer oder mehreren bestimmten Temperaturen auftretenden elektrischen Widerstand des Glühelementes einer typischen Glühkerze in Abhängigkeit von der fortschreitenden Alterung angibt, und indem auf der Grundlage des sich aus der jeweils zutreffenden Kennlinie ergebenden aktuellen Widerstandes der jeweiligen Glühkerze der pro Periode in die Glühkerze einzuspeisende Energiebetrag neu bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die fortschreitende Änderung eines die Betriebstemperatur der Glühkerzen beeinflussenden Parameters ein Modell gebildet wird und dass anhand dieses Modells aus einem oder mehreren in der Vergangenheit bestimmten Werten des Parameters eine Prognose für den Wert des Parameters in der nächsten Zukunft erstellt und der prognostizierte Wert des Parameters als Eingangsgröße für die Steuerung durch Pulsweitenmodulation verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus Erfahrungswerten über die Entwicklung des Parameters gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell für die Entwicklung des Widerstandes des Glühelementes der Glühkerze gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die Veränderung des Widerstandes des Glühelementes der Glühkerze für eine oder mehrere ausgewählte Temperaturen in Abhängigkeit von der Alterung der Glühkerze angibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren der Pulsweitenmodulation die pro Periode in eine einzelne Glühkerze einzubringende elektrische Energie festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Energiewert, welcher pro Periode in die einzelne Glühkerze eingebracht werden soll, durch Berücksichtigen eines oder mehrerer der Parameter angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Periode der Pulsweitenmodulation durch Vorgeben einer Spannung und einer relativen Pulsweite, während welcher die Spannung an der Glühkerze liegt, ein gewisser elektrischer Energiebedarf in die Glühkerze gespeist wird, dass in derselben Periode durch Messen von Strom, Spannung und evtl. weiteren Parametern die tatsächlich eingebrachte Energie ermittelt und ein Fehlbetrag oder Überschuss an in der Periode eingebrachter Energie in einer folgenden Periode ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der in einer Periode vorliegende Fehlbetrag oder Überschuss an eingebrachter Energie in der nächsten Periode berechnet und in der übernächsten Periode ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Pulsweite dadurch geändert wird, dass bei gleichbleibender Periode die absolute Pulsweite verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer einer Periode zu 10 ms bis 100 ms gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweiten für die einzelnen Glühkerzen in einer jeden Periode zeitlich aneinander anschließend angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Summe der Pulsweiten für die Gruppe der Glühkerzen länger ist als die gewählte Periode, die überschießende Pulsweite auf die nachfolgende Periode übertragen wird, in welcher sie die dort erneut beginnende Folge von Pulsweiten für die Gruppe von Glühkerzen zeitlich überlappt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerzen – von Fertigungstoleranzen abgesehen – untereinander gleich sind.