DE102009032959B4

DE102009032959B4 - Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze

Info

Publication number: DE102009032959B4
Application number: DE102009032959A
Authority: DE
Inventors: Dr. Toedter Olaf; Ulrich Stephan
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: JP2011021603A; EP2292921A1; KR20110006612A; ATE542048T1; EP2292921B1; DE102009032959A1; US20110015848A1; US8374767B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze bei laufendem Motor, der eine Kurbelwelle und mindestens einen Zylinder aufweist, wobei aus einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt wird, die an die Glühkerze angelegt wird, während eines Arbeitszyklus des Zylinders jeweils mehrere Messwerte des in dem Zylinder herrschenden Brennraumdrucks gemessen werden und für die einzelnen Messwerte jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt wird, aus dem Verlauf des in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle gemessenen Brennraumdruckes eine Kenngröße des Verbrennungsvorgangs ermittelt wird, der ermittelte Wert der Kenngröße mit einem Sollwert verglichen und die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße aus dem Brennraumdruck ermittelt wird, indem ein erstes Integral des Brennraumdruckes zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird, ein zweites Integral zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird, und die Kenngröße als Quotient aus den beiden Integralen berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze bei laufendem Motor, wobei aus einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt und an die Glühkerze angelegt wird.
Für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen sind beispielsweise aus der DE 10 2005 026 074 A1 Glühkerzen bekannt, die einen integrierten Brennraumdrucksensor aufweisen. Derartige Druckmessglühkerzen werden verwendet, um den Brennraumdruck kontinuierlich oder quasi kontinuierlich zu messen und einem Motorsteuerungsgerät zu melden, welches die Einspritzung von Kraftstoff unter Berücksichtigung des Brennraumdrucks regelt.
Mit modernen Motorsteuerungsgeräten kann auf diese Weise ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch und eine höhere Lebensdauer des Motors erzielt werden. Allerdings werden durch die Integration eines Brennraumdrucksensors die Herstellungskosten von Glühkerzen erhöht. Dies fällt umso stärker ins Gewicht, je kürzer die Lebensdauer einer Glühkerze ist. Ständiges Ziel bei der Entwicklung von Glühkerzen und Glühkerzensteuergeräten ist es deshalb, einerseits Herstellungskosten zu senken und andererseits die Lebensdauer von Glühkerzen zu erhöhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie bei Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren Kosten eingespart werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden während eines Arbeitszyklus des Zylinders jeweils mehrere Messwerte des in dem Zylinder herrschenden Brennraumdrucks gemessen und für die einzelnen Messwerte jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt. Aus dem Verlauf des in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle gemessenen Brennraumdrucks wird eine Kenngröße des Verbrennungsvorgangs ermittelt, der ermittelte Wert der Kenngröße mit einem Sollwert verglichen und die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert eingestellt. Als Kenngröße des Verbrennungsvorgangs kann beispielsweise die Winkelstellung der Kurbelwelle bei einem Maximum des Brennraumdrucks verwendet werden.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Lebensdauer einer Glühkerze wesentlich verlängert werden, ohne dass die Qualität der Verbrennung beeinträchtigt wird. Indem bei einem erfindungsgemäßen Verfahren durch Auswertung des in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel gemessenen Brennraumdrucks die Qualität der Verbrennung fortlaufend überwacht werden kann, lässt sich die Temperatur der Glühkerze durch Reduzieren der Effektivspannung auf den für eine optimale Verbrennung erforderlichen Mindestwert reduzieren. Eine eventuell zu starke Absenkung kann praktisch sofort erkannt und korrigiert werden. Die thermische Belastung der Glühkerze kann auf diese Weise auf ein Mindestmaß reduziert und die Lebensdauer entsprechend gesteigert werden.
Für eine gute Verbrennung des Kraftstoffs in einem selbstzündenden Motor ist eine vom Motorzustand abhängige Mindesttemperatur der Glühkerze erforderlich. Während eine zu niedrige Temperatur der Glühkerze zu einer erheblichen Verschlechterung des Verbrennungsverhaltens führt, hat ein Überschreiten der Mindesttemperatur keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Qualität der Verbrennung. Bei bekannten Glühkerzensteuergeräten wird deshalb eine Betriebstemperatur der Glühkerzen eingestellt, die der im ungünstigsten Fall erforderlichen Mindesttemperatur entspricht und deshalb die meiste Zeit unnötig hoch ist. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kerzentemperatur in allen Betriebszuständen des Motors auf die für eine optimale Verbrennung erforderliche Mindesttemperatur gesenkt werden. insbesondere kann eine Glühung praktisch sofort beendet werden, wenn kein Bedarf mehr besteht.
Der Sollwert der Kenngröße des Verbrennungsvorgangs kann fest vorgegeben werden und beispielsweise als unveränderliche Konstante in dem Speicher eines Glühkerzensteuergeräts gespeichert sein. Vorteilhaft ist es aber auch möglich, dass der Sollwert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und/oder in Abhängigkeit von der Motorlast vorgegeben wird. Der Sollwert der Kenngröße des Verbrennungsvorgangs kann dem Glühkerzensteuergerät von einem Motorsteuergerät vorgegeben werden. Möglich ist es aber auch, dass das Glühkerzensteuergerät den Sollwert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl selbst ermittelt. Dies ist ohne größeren Aufwand möglich, da das Glühkerzensteuergerät für die einzelnen Messwerte des Brennraumdrucks jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt und deshalb die zur Bestimmung der Drehzahl erforderlichen Informationen vorliegen hat. Aus der Motordrehzahl und/oder der Motorlast kann der Sollwert beispielsweise mittels einer Kennlinie oder eines Kennlinienfeldes ermittelt werden.
Wie bereits erwähnt, kann als Kenngröße des Verbrennungsvorgangs der Kurbelwellenwinkel, bei dem der Brennraumdruck maximal ist, verwendet werden. Da einzelne Messwerte unvermeidlich mit Messfehlern behaftet sind und deshalb oft eine erhebliche Fluktuation zeigen, kann in manchen Fallen die genaue Lage des Maximums aus den zur Verfügung stehenden Messwerten nur mit einer erheblichen Ungenauigkeit ermittelt werden. Um diesem Problem zu begegnen kann als Kenngröße beispielsweise auch das Verhältnis zwischen zwei Integralen des Brennraumdrucks über verschiedenen Kurbelwellenwinkelbereichen verwendet werden.
Beispielsweise kann das Integral das Brennraumdrucks von einem ersten Kurbelwellenwinkel, beispielsweise dem Beginn des Arbeitszyklus oder des Maximaldruckes, bis zu einem zweiten Kurbelwellenwinkel, beispielsweise dem Kurbelwellenwinkel, bei dem eine Zündung des Kraftstoffgemisches optimalerweise erfolgen sollte, in Relation zu einem zweiten Intergral, das bevorzugt an das erste Integral unmittelbar anschließt, ins Verhältnis gesetzt werden. Bei einer solchen Vorgehensweise wird die Kenngröße aus dem Brennraumdruck also ermittelt, indem ein erstes Integral des Brennraumdrucks zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird, ein zweites Intergral zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird und die Kenngröße als Quotient aus den beiden Integralen berechnet wird. Die obere Integrationsgrenze des ersten Integrals kann mit der unteren Integrationsgrenze des zweiten Integrals übereinstimmen, jedoch ist dies nicht zwingend erforderlich. Als untere Integrationsgrenze des ersten Integrals kann der Beginn des Arbeitszyklus oder ein beliebiger späterer Wert des Kurbelwellenwinkels verwendet werden. Entsprechend kann als obere Integrationsgrenze des zweiten Integrals das Ende des Arbeitszyklus oder ein kleinerer Wert des Kurbelwellenwinkels verwendet werden.
Ein Integral des Brennraumdrucks kann numerisch mit geringem Aufwand berechnet werden, beispielsweise durch Summation der zwischen den jeweiligen Integrationsgrenzen liegenden Druckmesswerte.
Allgemein gesagt kann die Kenngröße des Verbrennungsvorgangs beispielsweise als Verhältnis zwischen Werten des Brennraumdrucks bei vorgegebenen Werten des Kurbelwellenwinkels bzw. als Verhältnis von Integralen des Brennraumdrucks über vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereichen berechnet werden. Eine Kenngröße des Verbrennungsvorgangs kann auch durch Differenziation des Verlaufs des Brennraumdrucks bestimmt werden, beispielsweise kann als Kenngröße ein Maximum der ersten Ableitung des Brennraumdrucks nach dem Kurbelwellenwinkel verwendet werden.
Durch Auswertung des Verlaufs des in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle gemessenen Brennraumdrucks können verschiedene die Verbrennung beschreibende Größen, beispielsweise die Wärmeumsetzung der Verbrennung, ermittelt werden. Übliche Größen zur Charakterisierung der Wärmeumsetzung einer Verbrennung sind beispielsweise AQ5, AQ50 oder AQ90. Dabei gibt der Zahlenwert jeweils den Prozentsatz der bis zu dem betreffenden Kurbelwellenwinkel erfolgten Wärmeumsetzung an. Die Größe AQ50 ist also der Kurbelwellenwinkel, bei welchem 50% der Wärmeumsetzung während eines Arbeitszyklus erfolgt ist.
Beim Starten eines Motors wird in der Regel einige Zeit benötigt, bis eine Glühkerze ihre Betriebstemperatur erreicht hat und sich Motorbauteile in der Umgebung der Glühkerze soweit erwärmt haben, dass einigermaßen stabile Verhältnis vorliegen. Das Aufheizverhalten beim Starten kann in manchen Fällen durch eine fest vorgegebenen Aufheizroutine besser als mit dem beschriebene Verfahren durchgeführt werden. Es kann deshalb vorteilhaft sein, mit dem erfindungsgemäßes Verfahren erst zu beginnen, wenn nach dem Starten des Motors, also der beginnenden Drehung der Kurbelwelle, eine vorgegebene Zeitspanne, beispielsweise 20 Sekunden oder mehr, vergangen ist. Diese Zeitspanne kann auch als eine festgelegte Anzahl von Umdrehungen der Kurbelwelle vorgegeben werden, so dass das Verfahren beispielsweise begonnen wird, wenn die Kurbelwelle seit dem Motorstart mindestens 100 Umdrehungen durchgeführt hat.
Vorteilhaft kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zudem der Wert der Kenngröße auf einen Sollwert geregelt und so die Verbrennung verbessert werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt beispielhaft den Verlauf des Brennraumdrucks und einiger verbrennungsabhängiger Größen in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel.
Zum Betreiben einer Glühkerze bei laufendem Motor wird aus einer Bordnetzspannung durch Pulsweitenmodulation eine Effektivspannung erzeugt, die an die Glühkerze angelegt wird. Der Motor ist ein Dieselmotor oder ein anderer selbstzündender Verbrennungsmotor. Der Motor eine Kurbelwelle, die an die in den Motorzylindern beweglichen Kolben gekoppelt ist und deren Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umsetzt. Der Motor hat mindestens einen, im Regelfall 2, 4 oder mehr Zylinder.
Der Wert der Effektivspannung kann individuell für die einzelnen Glühkerzen der Zylinder festgelegt werden. Dafür werden während eines Arbeitszyklus des Zylinders jeweils mehrere Messwerte des in dem Zylinder herrschenden Brennraumdrucks gemessen und für die einzelnen Messwerte jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt. Als Glühkerze wird bevorzugt eine Druckmessglühkerze verwendet, die den Brennraumdruck mit einem integrierten Sensor misst und deshalb einem Glühkerzensteuergerät Messwerte des Brennraumdrucks zur Verfügung stellen kann. Eine geeignete Druckmessglühkerze ist beispielsweise aus der DE 10 2005 026 074 A1 bekannt.
Bevorzugt wird der Brennraumdruck kontinuierlich oder quasi kontinuierlich gemessen, so dass die Messwerte zeitlich dicht aufeinander folgen. Bevorzugt werden während eines Arbeitszyklus mindestens 20, besonders bevorzugt mindestens 50, insbesondere mindestens 100, Messwerte des Brennraumdrucks gemessen. Um für die einzelnen Messwerte jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle zu ermitteln, genügt es, wenn dem Glühkerzensteuergerät mindestens einmal die momentane Position der Winkelstellung mitgeteilt wird. Beispielsweise genügt es, dem Glühkerzensteuergerät jeweils den Nulldurchgang der Kurbelwelle zu melden, also mitzuteilen, wenn die Winkelstellung der Kurbelwelle 0° ist oder einen anderen vorgegebenen Wert hat. Durch eine einfache Zeitmessung kann ein Glühkerzensteuergerät dann den zwischen zwei solchen Signalen eines Kurbelwellensensors ermittelten Messwerten des Brennraumdrucks Werte des Kurbelwellenwinkels zuordnen.
In 1 gibt die Kurve 1 den Verlauf des Brennraumdrucks in bar in Abhängigkeit von den Kurbelwellenwinkel in Grad an. Aus dem Verlauf Brennraumdrucks wird eine Kenngröße des Verbrennungsvorgangs ermittelt. Als Kenngröße des Verbrennungsvorgangs kann beispielsweise die Winkelstellung der Kurbelwelle verwendet werden, die auftritt, wenn der Brennraumdruck während des Arbeitszyklus sein Maximum erreicht hat. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Brennraumdruck bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 17,5° maximal.
Der ermittelte Wert der Kenngröße wird mit einem Sollwert verglichen und die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert eingestellt. Wenn der ermittelte Wert der Kenngröße dem vorgegebenen Sollwert entspricht, wird die Effektivspannung abgesenkt. Wenn bei einem späteren Arbeitszyklus festgestellt wurde, dass die Effektivspannung zu wert abgesenkt wurde und deshalb der Wert der Kenngröße nun von dem Sollwert abweicht, wird die Effektivspannung erhöht. Auf diese Weise kann die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert eingestellt werden.
Beispielsweise kann die Effektivspannung gesenkt werden, wenn das Maximum des Brennraumdrucks bei einem Kurbelwellenwinkel auftritt, der kleiner als oder gleich wie ein Sollwert ist, und die Effektivspannung erhöht werden, wenn das Maximum des Brennraumdrucks bei einem Kurbelwellenwinkel auftritt, der größer als der Sollwert ist.
Es ist zweckmäßig, die Effektivspannung in kleinen Schritten abzusenken, wenn festgestellt wird, dass der ermittelte Wert der Kenngröße dem Sollwert entspricht. Bevorzugt wird die Effektivspannung in Schritten geändert, die weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2%; insbesondere weniger als 1%, der Bordnetzspannung betragen. Die Effektivspannung wird reduziert, indem die Dauer der Spannungspulse relativ zu den dazwischen liegenden Pausen verkürzt wird.
Um die Stabilität des Verfahrens zu erhöhen kann es vorteilhaft sein, eine Änderung der Effektivspannung nicht bei jedem Arbeitszyklus vorzunehmen, sondern den Vergleich zwischen dem ermittelten Wert der Kenngröße und dem Sollwert oder eine Absenkung bei Übereinstimmung erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Arbeitszyklen, beispielsweise nach 3 oder mehr, etwa nach 5 Arbeitszyklen, vorzunehmen. Dabei kann der jeweils aktuelle ermittelte Wert mit dem Sollwert verglichen werden oder eine statistische Auswertung der für eine vorgegebene Anzahl von vorangegangenen Zyklen ermittelten Werte vorgenommen werden. Beispielsweise kann das statistische Mittel der ermittelten Werte der Kenngröße mit einem Sollwert verglichen werden.
Der Sollwert kann einem Glühkerzensteuergerät von einem Motorsteuergerät in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast vorgeben werden.
Aus dem Verlauf des Brennraumdrucks 1 kann beispielsweise der Anteil des bereits verbrannten Kraftstoffs berechnet werden. In 1 gibt die Kurve 2 den Anteil des in dem Arbeitszyklus bereits verbrannten Kraftstoffs an, also den Grad der Energieumwandlung. Zu Beginn des Arbeitszyklus ist der Anteil 0, da noch kein Kraftstoff verbrannt wurde. Am Ende des Arbeitszyklus ist der Anteil 1, da der Kraftstoff dann vollständig verbrannt ist. Die Kurve 2 bzw. ihr Wert bei einem gegebenen Kurbelwellenwinkel kann deshalb ebenfalls als Kenngröße der Verbrennung verwendet werden.
Zusätzlich ist in 1 die Wärmeabgabe in willkürlichen Einheiten als Kurve 3 eingetragen. Das Maximum der Wärmeabgabe fällt in 1 mit dem Druckmaximum zusammen. Bei dem entsprechenden Kurbelwellenwinkel ist die Hälfte des Kraftstoffes verbrannt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Glühkerze bei laufendem Motor, der eine Kurbelwelle und mindestens einen Zylinder aufweist, wobei aus einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt wird, die an die Glühkerze angelegt wird, während eines Arbeitszyklus des Zylinders jeweils mehrere Messwerte des in dem Zylinder herrschenden Brennraumdrucks gemessen werden und für die einzelnen Messwerte jeweils die Winkelstellung der Kurbelwelle ermittelt wird, aus dem Verlauf des in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle gemessenen Brennraumdruckes eine Kenngröße des Verbrennungsvorgangs ermittelt wird, der ermittelte Wert der Kenngröße mit einem Sollwert verglichen und die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße aus dem Brennraumdruck ermittelt wird, indem ein erstes Integral des Brennraumdruckes zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird, ein zweites Integral zwischen zwei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln berechnet wird, und die Kenngröße als Quotient aus den beiden Integralen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Abhängigkeit von der Motordrehzahl vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in Abhängigkeit von der Motorlast vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße die Winkelstellung der Kurbelwelle bei einem Maximum des Brennraumdruckes ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivspannung gesenkt wird, wenn das Maximum des Brennraumdrucks bei einem Kurbelwellenwinkel auftritt, der kleiner als ein Sollwert ist, und die Effektivspannung erhöht wird, wenn das Maximum des Brennraumdrucks bei einem Kurbelwellenwinkel auftritt, der größer als der Sollwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivspannung abgesenkt wird, wenn festgestellt wird, dass der ermittelte Wert der Kenngröße dem Sollwert entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivspannung zum Einstellen auf den zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert während eines Arbeitszyklus höchstens um 5%, bevorzugt weniger als 2%, insbesondere weniger als 1%, abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Kenngröße durch Regeln auf einen Sollwert optimiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivspannung durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren erst begonnen wird, wenn seit dem Motorstart einen vorgegebene Zeitspanne vergangen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße des Verbrennungsvorgangs der Zündzeitpunkt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wert der Kenngröße von einem Motorsteuergerät mit einem Sollwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ergebnis des Vergleichs an ein Glühkerzensteuergerät gemeldet wird, welches die Effektivspannung in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs ändert, um die Effektivspannung auf einen zum Erreichen des Sollwerts erforderlichen Mindestwert einzustellen.
Verwendung einer Glühkerze, die einen integrierten Brennraumdrucksensor aufweist, für ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.