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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Ansteuerung einer Glühkerze
nach der Gattung der unabhängigen
Patentansprüche.
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Aus
der
DE 10 2006
010 083 B4 ist bereits ein Verfahren zur Ansteuerung einer
Glühkerze
bekannt bei dem eine Alterung der Glühkerze berücksichtigt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
haben demgegenüber
den Vorteil, dass ein Alterungszustand der Glühkerze erkannt und kompensiert
wird. Die Glühkerzen
können
so mit großer
Zuverlässigkeit
bis an das Ende ihrer Lebensdauer betrieben werden, ohne dass es
dabei zu einer verschlechterten Funktion der Glühkerze, insbesondere zu einem
verschlechterten Start eines Verbrennungsmotors kommt. Es wird so die
Betriebssicherheit eines Kraftfahrzeugs, in dem ein entsprechender
Verbrennungsmotor eingebaut ist, verbessert. Einen besonders deutlichen
Effekt hat die Alterung der Glühkerze,
wenn ein Start bei einer geringen Umgebungstemperatur des Verbrennungsmotors
erfolgt. Entsprechend hängt
die Ansteuerung der gealterten Kerze von der Umgebungstemperatur ab.
Es kann so eine Verbesserung des Startverhaltens erreicht werden,
ohne dass dadurch der Prozess der Alterung noch beschleunigt wird.
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Weitere
Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der
abhängigen
Patentansprüche.
Besonders einfach erfolgt die erfindungsgemäße Ansteuerung der Glühkerze,
in dem die Kerzenspannung mit der die Glühkerze angesteuert wird, erhöht wird.
Der Alterszustand kann besonders einfach durch eine Zählung der
Glühphasen, deren
Dauer und der Aufnahme der damit verbundenen Glühtemperaturen oder Aufheizgradienten
der Kerze ermittelt werden. Die einzelnen Glühphasen können mit einem Gewichtungsfaktor
gewichtet werden, der von der Maximaltemperatur oder maximalen Ansteuerspannung
oder dem Gradient der Temperatur oder dem Gradienten der Ansteuerspannung
oder der zeitlichen Dauer der einzelnen Glühphasen abhängt. Durch diese Maßnahmen
kann besonders zuverlässig
die Alterung der Glühkerze
ermittelt werden. Einen besonders deutlichen Effekt hat die Alterung
der Glühkerze,
wenn ein Start bei einer geringen Umgebungstemperatur des Verbrennungsmotors
erfolgt. Entsprechend hängt
die Ansteuerung der gealterten Kerze vorteilhafter Weise von der
Umgebungstemperatur ab. Insbesondere geringe Umgebungstemperatur
in einem Bereich von unter 0° erfordern dabei
eine veränderte
Ansteuerung der gealterten Kerze. Weiterhin unterscheiden sich die
Kerzen hinsichtlich ihres Alterungsverhaltens, was durch eine entsprechende
Messung des Widerstandes der Kerze bestimmt werden kann. Die Ansteuerung
sollte daher nicht nur den gemessenen Widerstand der Kerze berücksichtigen
sondern auch diesen gemessenen Widerstand mit einem Vergleichswert
vergleichen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Glühkerze,
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2 die
Abhängigkeit
des Widerstandes von der Alterung und
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3 einzelner
Verfahrensschritte zur Ermittlung der Ansteuerspannung für die gealterte Glühkerze.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 wird schematisch eine Glühkerze 1 gezeigt,
die über
einen Messwiderstand 2 und einen MOSFET-Transistor 3 mit
einer Batteriespannung U4 verbunden ist. Alternativ zum MOSFET-Transistor 3 können auch
anderen Leistungshalbleiter oder elekromechanische Schalter verwendet
werden. Der andere Anschluss der Glühkerze 1 ist mit Masse
verbunden. Der MOSFET-Transistor 3 ist auf der einen Seite
mit der Batteriespannung und mit einem weiteren Anschluss mit dem
Messwiderstand 2 verbunden. Die Ansteuerung des MOSFET-Transistors 3 erfolgt
durch ein Glühzeitsteuergerät 5,
welches durch eine Ansteuerleitung 6 einen Steueranschluss
(Gate) des MOSFET-Transistors ansteuert. Durch entsprechende Steuersignale
auf der Ansteuerleitung 6 kann von dem Glühzeitsteuergerät 5 ein
Stromfluss durch den MOSFET-Transistor 6 zwischen der Batteriespannung 4 und
dem Messwiderstand 2 geschaltet werden. Zwischen dem MOSFET-Transistor 3 und
dem Messwiderstand 2 ist eine Messleitung 7 angeschlossen,
die mit dem Glühzeitsteuergerät 5 verbunden
ist. Zwischen dem anderen Anschluss des Messwiderstandes 2 und
der Glühkerze 1 ist
eine weitere Messleitung 8 angeschlossen, die ebenfalls
mit dem Glühsteuergerät 5 verbunden
ist.
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Durch
das Glühsteuergerät 5 wird
durch entsprechende Signale auf der Leitung 6 der MOSFET 3 leitend
geschaltet, so dass ein Stromfluss von der Spannungsversorgung 4 durch
den Messwiderstand 2 hindurch und durch die Glühkerze einzeln
durch gegen Masse erfolgen kann. Durch diesen Stromfluss wird die
Glühkerze 1 auf
eine Temperatur von über 1000°C erwärmt, wodurch
der Zündverzug
von selbstzündenden
Motoren verkürzt
werden. Bei einem betriebskalten Motor wird dadurch ein Start des Dieselmotors
gewährleistet
und dessen Kaltleerlauf, insbesondere bei niederverdichtenden Motoren
(Verdichtung geringer als 16), bezüglich Laufruhe und Ansprechverhalten
stark verbessert. Zur Ansteuerung der Glühkerze 1 wird der
MOSFET 3 von dem Steuergerät 5 soweit aufgesteuert,
bis an der Messleitung 7 eine vorgegebene Spannung U anliegt.
Diese Spannung U ist so gewählt,
das durch die Glühkerze 1 ein
ausreichend großer
Strom I fließt,
der eine ausreichende Erwärmung
der Glühkerze 1 gewährleistet.
Da sich der Widerstand der Glühkerze 1 mit
zunehmender Erwärmung ändert, ändert sich auch
der Stromfluss I durch die Kerze 1 in Abhängigkeit
von der Erwärmung
der Glühkerze 1.
Die Spannung U wird so groß gewählt, dass
bei einer dauerhaft angesteuerten Glühkerze 1 eine ausreichend hohe
Betriebstemperatur der Glühkerze 1 erreicht wird
ohne jedoch die Glühkerze 1 zu überfordern.
Die Auswahl der geeigneten Spannung U erfolgt bei einer Anpassung
der Glühsteuerung 5 an
dem jeweiligen Typ von Glühkerze 1.
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Es
hat sich herausgestellt, dass über
dem Lauf der Zeit eine Alterung der Glühkerzen erfolgt, welche dazu
führt,
dass sich der Widerstand der Glühkerze 1 verändert. In
der 2 wird in einem Diagramm der Zusammenhang zwischen
der Alterung A einer Glühkerze
und ihrem Widerstand R schematisch aufgezeigt. Die Alterung A kann
durch verschiedene Methoden bestimmt werden. Ein besonders einfaches
Maß für die Alterung
einer Glühkerze 1 stellt
die Anzahl der Glühphasen
dar. Unter Glühphasen
wird hier jede Ansteuerung einer Glühkerze, wie sie beispielsweise
bei einem Start des Verbrennungsmotors oder auch während eines
laufenden Betriebs des Motors bei einem zu starken Absinken der
Motortemperatur erfolgt, verstanden. Ein besonders einfaches Maß besteht
dann darin, dass jedes Mal, wenn eine Glühkerze aktiviert wird, ein
Zähler weitergezählt wird
und der entsprechende Zählerwert dann
ein Maß für die Alterung
darstellt. Dieses Maß liegt
hier der 2 zugrunde, bei der für die Alterung 1000,
2000, 3000, 4000 und 5000 Glühphasen
als Maß für die Alterung
A dargestellt sind. Es ist aber ebenso möglich, kompliziertere Definitionen
des Begriffes Alterung einer Glühkerze
zugrunde zu legen. Dazu wird die einzelne Glühphase noch mit einem Gewichtungsfaktor
multipliziert, der das Ausmaß der Belastung
während
dieser Glühphase
angibt. Beispielsweise kann die Alterung dadurch angegeben werden,
in dem bei jeder Glühphase
noch eine Multiplikation mit einem Faktor erfolgt, in Abhängigkeit
von der maximal auftretenden Glühspannung,
welches gleichbedeutend mit einer maximalen Temperatur der Glühkerze.
Eine derartige Definition der Alterung ist insbesondere dann sinnvoll,
wenn das Glühsteuergerät 5 den
MOSFET-Transistor 3 in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen
des Verbrennungsmotors unterschiedlich ansteuert und unterschiedlich
hohe Ansteuerspannungen U für
die Glühkerze
realisiert. Eine Glühphase
mit einer hohen Ansteuerspannung hätte dann ein stärkeres Gewicht
bzw. eine stärkere Alterung
der Glühkerze
zur Folge als eine Glühphase mit
geringerer Spannung bzw. geringerer Maximaltemperatur. Weiterhin
hat sich herausgestellt, dass die Kerzen in Abhängigkeit von einem Gradienten, mit
dem die Spannung U erzeugt wird, altern. Je stärker der Gradient der Aufsteuerung
des MOSFET-Transistors 3 ist, umso stärker altert die Kerze. Ein
Maß für die Alterung
wäre hier
dann eine Glühphase, wobei
der Einfluss der einzelnen Glühphase dann
noch durch den Gradienten der Temperatur oder den Gradienten der
Ansteuerspannung gewichtet würde.
Weiterhin kann auch noch die zeitliche Dauer der einzelnen Glühphasen
berücksichtigt
werden, in dem Glühphasen
längerer
zeitlicher Dauer stärker
gewichtet werden als Glühphasen
kürzerer zeitlicher
Dauer. In der 2 wird in Abhängigkeit von
der Alterung A der Widerstand einer Gruppe von Glühkerzen
dargestellt. Zum Einen wird dabei der Durchschnitt 11 des
Widerstandes gemittelt über
alle Glühkerzen
der Gruppe dargestellt. Wie in der 2 zu erkennen
ist, steigt der durchschnittliche Widerstand 11 der Gruppe
der Glühkerzen
mit zunehmender Alterung an. Weiterhin ist noch ein Streubalken 10 der
Gruppe der Glühkerzen
dargestellt. Bei einer geringen Alterung streut der Widerstand der
Kerzen mit einem relativ geringen Streubalken 10 um den Mittelwert 11.
Mit zunehmender Alterung der Glühkerzen
vergrößert sich
der Streubereich des Widerstandes, so dass der entsprechende Streubalken 10 beispielsweise
bei einer Alterung von 5000 deutlich größer ist als bei einer Alterung
von 1000. Mit zunehmender Alterung steigt somit nicht nur der Durchschnittswert
des Widerstandes sondern auch die Streuung der Widerstandswerte
der einzelnen, im Prinzip gleichartigen, Kerzen erhöht sich.
Diese Beobachtungen bezüglich
der Alterung von Kerzen und damit verbundenen Erhöhung des
Widerstandes und der Erhöhung
der Streuung des Widerstandes werden in Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kompensation
berücksichtigt.
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In
der 3 werden einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ansteuerung einer Glühkerze
in einem Verbrennungsmotor beschrieben, durch die eine Kompensation
der Alterung der Glühkerze
erreicht wird. In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird
der Widerstand der Glühkerze 1 gemessen,
in dem die Spannung U und der Strom I gemessen werden und daraus
mittels des ohmschen Gesetzes der Widerstand der Glühkerze 1 berechnet
wird. Die Spannung U stellt die Spannung an der Messleitung 7 dar.
Durch den Spannungsabfall am Messwiderstand 2, d. h. durch
einen Vergleich der Spannungen an den Messleitungen 7 und 8 kann der
durch die Glühkerze 1 fließende Strom
bestimmt werden. Dieser Wert entspricht dann dem Wert I, der als
Eingangwert für
den Verarbeitungsschritt 101 genutzt wird. Wesentlich ist
hier noch wann die Spannung U und I gemessen werden. Eine Möglichkeit diese
Werte zu messen, stellt der vorhergehende Ansteuerzyklus der Kerze
dar, d. h. ausgehend von U und I der vorhergehenden Ansteuerung
wird der Widerstand der Kerze 1 bestimmt. Diese Messung muss
natürlich
während
eines statischen Betriebszustandes der Kerze erfolgen, d. h. wenn
die Kerze auf eine konstante Betriebstemperatur aufgeheizt ist.
Alternativ kann die Messung des Kerzenwiderstandes auch zu Beginn
der Aufheizphase beispielsweise entweder sobald eine Spannung U
angelegt wird oder nach einer definierten Zeit erfolgen. In dem
Verarbeitungsschritt 101 wird aus diesen Messwerten für Strom
und Spannung der Widerstandswert berechnet und für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte 102, 103 zur
Verfügung.
Im dem Schritt 102 erfolgt eine Berechnung eines Korrekturwertes ΔR. Als Eingangswert
für diese
Berechnungen wird der vom Schritt 101 berechnete Wert R
der Glühkerze
verwendet. Als weitere Eingangsgröße wird die Alterung der Glühkerze A
verwendet. Als weitere Eingangsgröße wird eine Umgebungstemperatur
des Verbrennungsmotors TAMB verwendet. Für die entsprechenden
Eingangsgrößen ist
ein Kennfeld vorgesehen, welches bestimmten Kombinationen dieser
Eingangsgrößen eine
entsprechende Ausgangsgröße ΔR zuordnet.
Es handelt sich hierbei um ein dreidimensionales Kennfeld mit den
Dimensionen R, A und TAMB, das diesen drei
Eingangsgrößen eine
Ausgangsgröße ΔR zuordnet.
Dabei verhält
es sich so, dass mit steigendem R auch der Wert für ΔR vergrößert wird.
Weiterhin verhält
es sich so, dass mit steigender Alterung A der Wert für ΔR ansteigt.
Weiterhin steigt der Wert für ΔR, wenn die
Umgebungstemperatur TAMB des Verbrennungsmotors
absinkt, d. h. bei einer tiefen Temperatur beispielsweise unter
0°C wird
stärker
korrigiert als bei einem Start von +20°C. Weiterhin steigt der Einfluss
der Korrektur mit zunehmendem Alter der Glühkerze und mit zunehmendem Widerstand
R. Alternativ zur einem Kennfeld können natürlich auch Funktionen abgelegt
sein, die diesen drei Eingangsgrößen eine
entsprechende Ausgangsgröße ΔR zuordnen.
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In
dem Schritt 102 hat die Umgebungstemperatur des Verbrennungsmotors
einen sehr wesentlichen und nicht linearen Einfluss. Es hat sich
nämlich herausgestellt,
dass bei einer Temperatur von +20° die
Kerzenalterung nur einen sehr geringen Einfluss auf das Startverhalten
des Verbrennungsmotors hat. Bei sehr geringen Temperaturen beispielsweise
unterhalb von 0°C
oder schärfer
unterhalb von –10°C lässt sich
jedoch ein Verbrennungsmotor mit einer gealterten Glühkerze nur
sehr schlecht starten. Insbesondere in diesem Temperaturbereich
ist es daher erforderlich, sehr stark korrigierend einzugreifen
um die Alterung der Glühkerze
zu kompensieren. Da jedoch durch die Kompensation die Glühkerze stärker belastet
wird und somit der Prozess der Alterung der Glühkerze sogar noch beschleunigt
wird, ist es wünschenswert
diese Kompensation im wesentlichen nur dann vorzunehmen, wenn aufgrund
des verschlechterten Startverhaltens des Verbrennungsmotors eine Kompensation
erstrebenswert ist. Bei normalen Temperaturen, beispielweise +20° ist daher
der Einfluss der Korrektur nur gering. Ebenso ist der Einfluss der Korrektur
bei einer nur geringen Alterung der Glühkerze gering.
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Der
so berechnete Korrekturwert ΔR
wird von dem Verfahrensschritt 102 als Eingangsgröße an den
Verfahrensschritt 103 weitergegeben. Als weitere Eingangsgröße für den Verfahrensschritt 103 ist der
Widerstand R, der im Schritt 101 bestimmt wurde. In dem
Verfahrensschritt 103 erfolgt eine weitere Bearbeitung
zur Bildung des endgültigen
Korrekturwertes, wobei dabei Belange des Schutzes der Glühkerze vor
einer Überlastung
im Vordergrund stehen. Dazu werden zunächst der Widerstandswert R
und der Korrekturwert ΔR
addiert und es wird dann betrachtet, wie sich der so gebildete Wert
vom Mittelwert 11, wie er aus der 2 bekannt
ist, unterscheidet. Als zusätzlicher
Eingangswert wird somit die Alterung A betrachtet und es wird überprüft, wo in
dem Streubereich 10 der entsprechende Wert liegt. Wenn der
so gebildete Wert R + ΔR
im unteren Bereich des Streubalkens 10 liegt (d. h. die
Kerze hat ihren Widerstand nur geringfügig erhöht) so wird eine deutliche Korrektur
des Widerstandswertes in Richtung zu höheren Widerstandswerten hin
zugelassen. Bei dieser Kerze würde
somit ein deutlicher Korrekturfaktor ΔR' zugelassen. Wenn die Kerze bereits
eine deutliche Veränderung
des Widerstandes R + ΔR
im oberen Bereich des Streubalkens 10 aufweist, so hat
sich alterungsbedingt der Widerstandswert R bereits stark verändert. Wenn
hier jetzt sehr stark korrigierend eingegriffen würde, so
würde auch
die Kerze sehr schnell weiter gealtert, was dann ggf. zu einem Versagen
der entsprechenden Glühkerze
führen
würde. Aus
diesem Grund wird bei einer Kerze, die bereits eine große Alterung
aufweist und bei der mit dieser Alterung bereits eine starke Widerstandsveränderung
erfolgt ist, keine so starke Korrektur mehr zugelassen. Dies kann
so weit gehen, dass bei einer Kerze, die am oberen Rand des Streubalkens 10 für den Widerstand
liegt, keine Korrektur mehr vorgenommen würde sondern ein ggf. verschlechtertes
Startverhalten des Verbrennungsmotors akzeptiert wird. Dies ist
dann vielleicht für
den Benutzer der Brennkraft maschine auch ein Hinweis, dass die Glühkerze in
Kürze ausgewechselt
werden sollte. Durch diese Gewichtung wird somit ein ΔR' gebildet, welches
als Eingangsgröße für den nächsten Berechnungsschritt 104 zur
Verfügung
gestellt wird.
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In
dem Schritt 104 wird aus dem plausibilisierten Korrekturwert ΔR' ein neuer Wert für die Ansteuerspannung
der Glühkerze 1 berechnet,
der mit U' bezeichnet
wird. Dieser Wert U' wird
berechnet, in dem: U' = U + ΔR'I.
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Die
für die
Ansteuerung der Kerze verwendete Spannung wird somit mit zunehmender
Alterung der Kerze erhöht,
insbesondere wenn der Verbrennungsmotor bei geringen Umgebungstemperaturen gestartet
wird. Durch die Plausibilisierung im Schritt 103 wird dabei
sichergestellt, dass keine unsinnig hohen Änderungen erfolgen, sondern
nur Änderungen im
Rahmen der üblichen
Streuung 10 der Widerstandswerte um einen Mittelwert möglich sind.