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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung der Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Aufheizphase der Glühstiftkerze, bei welchem ein Temperaturwert in Abhängigkeit eines Widerstandes der Glühstiftkerze bestimmt wird.
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Glühstiftkerzen, welche in Verbrennungsmotoren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden, werden im kalten Zustand vorgeglüht, bevor ihre Temperatur so hoch ist, dass es für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht. Die Glühstiftkerze weist dazu einen Heizer auf, welcher die kalte Glühstiftkerze in einer kurzen Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden mit einer überhöhten Heizspannung beaufschlagt, so dass die Glühstiftkerze zu diesem Zeitpunkt überbeansprucht wird. Nach Abschluss dieser sogenannten Push-Phase hat die Spitze der Glühstiftkerze eine Temperatur von über 1000°C erreicht, während der restliche Teil der Glühstiftkerze noch eine Temperatur aufweist, die weit unterhalb dieser Temperatur von 1000°C liegt.
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Eine normale Regelung oder Steuerung der Glühstiftkerze erfolgt durch eine Messung des Widerstandes eines Glühdrahtes in der Glühstiftkerze. Da nach Abschluss der Push-Phase der Rest der Glühstiftkerze und somit auch der Rest des Glühdrahtes noch nicht die Temperatur der Spitze der Glühstiftkerze erreicht hat, ist eine normale Temperaturregelung bzw. Steuerung über die Messung des Widerstandes des Glühdrahtes nicht möglich. Der instationäre Temperaturverlauf, welcher sich nach der Push-Phase in der Glühstiftkerze eingestellt hat, dauert etwa 30 Sekunden an. Danach hat sich die Temperatur in der Glühstiftkerze ausgeglichen, so dass eine normale Temperaturregelung oder -steuerung über den gemessenen Widerstand möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung der Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Aufheizphase der Glühstiftkerze anzugeben, bei welchem die Regelung bzw. Steuerung der Temperatur der Glühstiftkerze auch während einer instationären Temperaturverteilung innerhalb der Glühstiftkerze möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Widerstand zur Bestimmung des Temperaturwertes während eines instationären Temperaturverlaufes innerhalb der Glühstiftkerze mit Hilfe eines physikalischen Modells berechnet wird. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Glühtemperatur in hoher Güte modelliert wird und die Regelung oder Steuerung der Glühtemperatur somit zu jedem Zeitpunkt der Glühphase, insbesondere direkt beim Start des Verbrennungsmotors, möglich ist.
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Vorteilhafterweise wird der Temperaturwert in Abhängigkeit von einem gemessenen Widerstand und einem berechneten Widerstandwert ermittelt. Der gemessene Widerstand bildet dabei den zuverlässigen Ausgangswert für die Kalkulation der Temperaturwerte, welche in dem Zeitraum der Aufheizphase berechnet werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die innerhalb der Aufheizphase mit den berechneten Widerstandswerten zu ermittelnden Temperaturwerte eine zuverlässige Grundlage für die Regelung bzw. Steuerung der Glühtemperatur der Glühstiftkerze bilden.
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In einer Ausgestaltung wird der Temperaturwert in mehreren Zeitabständen ermittelt, wobei der berechnete Widerstandswert sich in Abhängigkeit der vorhergehenden Zeitabstände ändert. Das bedeutet, dass jeweils nach einem bestimmten Zeitabschnitt ein neuer Temperaturwert berechnet wird, welcher der Regelung oder Steuerung zu Grunde gelegt wird. Der zu berechnende Widerstandswert hängt dabei vorteilhafterweise nur von dem vergangenen Zeitintervall ab und nicht von der vorher bestimmten Temperatur, was bei einem instationären Temperaturverlauf, wie er in der Aufheizphase bei der Glühstiftkerze vorliegt, von besonderen Vorteil ist. Auf Grund dieser Vorgehensweise entfallen Applikationen mit Einsatz eines Thermoelementes als Messkerze, wodurch die Materialkosten reduziert werden.
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In einer Weiterbildung wird der berechnete Widerstandswert in Abhängigkeit von einer abnehmenden Exponentialfunktion bestimmt, wobei die Exponenten von der thermischen Relaxationszeit und einer Zeitkonstante gebildet werden. Unter der thermischen Relaxationszeit wird die Zeit verstanden, bis zu welcher die Temperatur der Glühstiftkerze nach der Push-Phase eingeschwungen ist, also die Glühstiftkerze eine stationäre Temperaturverteilung erreicht hat. Durch eine solche instationäre Modellierung der Temperatur der Glühstiftkerze in der Aufheizphase sind motorarbeitspunktabhängige Glühtemperatursteuerungen und -regelungen möglich, indem beispielsweise die Last des Verbrennungsmotors unterschiedlich eingestellt wird.
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Vorteilhafterweise wird die Zeitkonstante für die jeweilig verwendete Glühstiftkerze einmalig ermittelt. Da die Zeitkonstante infolge von Produktionsstreuungen glühkerzenspezifisch ist, erfolgt die Bestimmung der Zeitkonstante bereits nach Einbau der Glühstiftkerze in den Verbrennungsmotor und wird in einem Steuergerät zur weiteren Verwendung abgespeichert.
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In einer Variante wird der erste, zu berechnende Widerstandswert mit einem Startwert initialisiert. Dabei wird der Startwert mit der Exponentialfunktion multipliziert.
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In einer Ausgestaltung wird der Startwert aus einer Differenz eines Widerstandes, welcher ausgehend von einer homogenen Temperaturverteilung in der Glühstiftkerze einmalig ermittelt wird und einem nach Abschluss einer Vorwärmphase detektierten Widerstand bestimmt. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Zeitpunkt mit Abschluss der Vorwärmphase, welche auch als Push-Phase bezeichnet wird, gleich dem Zeitpunkt des Startes der Temperaturausgleichsphase ist, welche als Aufheizphase bezeichnet wird. Somit wird die Differenz aus einem Widerstand errechnet, welcher nach Beendigung der Aufheizphase erwartet wird und einem Widerstand, welcher nach Abschluss der Vorwärmphase zum Startzeitpunkt der Aufheizphase auftritt. Die Berechnung des Widerstandes nach Abschluss der Aufheizphase ist dabei abhängig von der Temperatur, die die Glühstiftkerze nach der Vorwärmphase erreicht hat und welche unter Berücksichtigung der Fahrzeugspannung, an welcher die Glühstiftkerze anliegt, aus der von der Glühstiftkerze bereitgestellten Energie berechnet wird.
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In einer Weiterbildung wird während der kurzzeitigen Vorwärmphase die kalte Glühstiftkerze mit einer Heizspannung beaufschlagt, die höher ist als die für die Glühstiftkerze vorgesehene Betriebsspannung, wodurch sich der instationäre Temperaturverlauf in der Glühstiftkerze ausbildet. Durch diese Vorgehensweise wird die Glühstiftkerze auf eine Temperatur gebracht, welche den instationären Temperaturverlauf in der Glühstiftkerze bedingt und wo das physikalische Modell zur Ermittlung von Temperaturzuständen während der Aufheizphase der Glühstiftkerze ansetzt, in welcher sich die instationäre Temperaturverteilung zu einer stationären Temperaturverteilung entlang der Glühstiftkerze verändert.
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Vorteilhafterweise bildet der für einen vorhergehenden Zeitabschnitt errechnete Widerstandswert den Ausgangspunkt für die Berechnung des nächsten Widerstandswertes im folgenden Zeitabschnitt. Die berechneten Widerstandswerte bauen aufeinander auf, wodurch das physikalische Modell den instationären Temperaturverlauf der Glühstiftkerze sowohl an ruhender Luft als auch bei einem Start des Verbrennungsmotors oder dessen Leerlauf sowie im dynamischen Motorbetrieb, falls das Fahrzeug direkt nach dem Start beschleunigt wird, sehr gut abbildet. Deshalb können die mit Hilfe des physikalischen Modells berechneten Temperaturwerte in der Regelung bzw. Steuerung der Glühstiftkerzentemperatur benutzt werden.
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In einer Ausgestaltung wird der Widerstand der Glühstiftkerze zur Bildung des Temperaturwertes nach Abschluss der Vorwärmphase gemessen.
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In einer Variante wird der gemessene Widerstand aus einer Spannung und einem Strom bestimmt, die durch Messung einer an der Glühstiftkerze anliegenden Spannung und eines durch die Glühstiftkerze fließenden Stromes ermittelt werden. Da diese Parameter mit Hilfe des Steuergerätes gemessen werden können, lässt sich der Widerstand einfach aus den tatsächlichen Zustand der Glühstiftkerze berechnen. Allerdings wird der Widerstand auf Grund der instationären Temperaturverteilung geringer sein, als der nach Ablauf der Aufheizphase zu erwartende Widerstand.
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Vorteilhafterweise wird nach Ablauf der Aufheizphase der Glühstiftkerze, in welcher sich ein stationärer Temperaturverlauf in der Glühstiftkerze eingestellt hat, die Temperaturregelung in Abhängigkeit eines gemessenen Widerstandswertes durchgeführt, welcher die Temperatur der Glühstiftkerze repräsentiert. Somit ist die Steuerung und Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze ab dem Start des Verbrennungsmotors jederzeit möglich, da während des instationären Temperaturverlaufes der Temperaturistwert mit Hilfe des physikalischen Modells bestimmt wird, während nach der Einstellung des stationären Temperaturverlaufes der Widerstand der Glühstiftkerze gemessen wird und daraus die Temperaturistwerte für die Regelung und/oder Steuerung ermittelt werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert wird.
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Es zeigt:
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1: Prinzipdarstellung der Anordnung einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor
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2: schematisches Ablaufdiagramm zur Kalkulation der Temperatur während der instationären Temperaturverteilung.
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Kalte Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, benötigen bei Umgebungstemperaturen von < 40°C eine Starthilfe zur Zündung des in den Dieselmotor eingeleiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Als Starthilfe werden dann Glühsysteme eingesetzt, welche aus Glühstiftkerzen, einem Glühzeitsteuergerät und einer Glühsoftware, welche in einem Motorsteuergerät abgelegt ist, besteht. Außerdem werden Glühsystems auch zur Verbesserung der Emissionen des Fahrzeuges genutzt. Weitere Einsatzgebiete des Glühsystems bestehen im Brennerabgassystem, bei der Standheizung, bei der Vorwärmung von Kraftstoff (Flex Fuel) oder der Vorwärmung des Kühlwassers.
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1 zeigt ein solches Glühsystem 1. Eine Glühstiftkerze 2 ragt dabei in den Brennraum 3 des Dieselmotors 4. Die Glühstiftkerze 2 ist einerseits mit dem Glühzeitsteuergerät 5 verbunden und führt andererseits an eine Bordnetzspannung 6, die die Glühstiftkerze 2 mit der Nennspannung von beispielsweise 11 V ansteuert. Das Glühzeitsteuergerät 5 ist mit dem Motorsteuergerät 7 verbunden, welches wiederum an den Dieselmotor 4 führt.
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Zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die Glühstiftkerze 2 in einer Push-Phase, die 1 bis 2 Sekunden dauert, durch das Anlegen einer Überspannung vorgeheizt. Die elektrische Energie, die der Glühstiftkerze 2 somit zugeführt wird, wird in einer nicht weiter dargestellten Heizwendel in Wärme umgewandelt, weshalb die Temperatur an der Spitze der Glühstiftkerze steil ansteigt. Die Heizleistung der Heizwendel wird über das elektronische Glühzeitsteuergerät 5 an die Anforderungen des jeweiligen Dieselmotors 4 angepasst. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird an der heißen Spitze der Glühstiftkerze 2 vorbeigeleitet und erwärmt sich dabei. Verbunden mit einer Ansauglufterwärmung während des Verdichtertaktes des Dieselmotors 4 wird die Entflammungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht.
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Die Glühstiftkerze 2 weist verschiedene Glühphasen auf. Wie bereits dargestellt, wird in einer Vorwärmphase, der Push-Phase, die 1 bis 2 Sekunden in Anspruch nimmt, der kalten Glühstiftkerze 2 eine Push-Spannung zugeführt, welche oberhalb der Nennspannung der Glühstiftkerze 2 liegt. Während dieses kurzen Zeitraumes wird die Spitze der Glühstiftkerze auf annähernd 1000°C erhitzt, während der restliche Teil der Glühstiftkerze 2 noch unterhalb dieser Temperatur liegt, wodurch sich ein instationärer Temperaturverlauf innerhalb der Glühstiftkerze 2 ausbildet. An diese Vorwärmphase schließt sich eine Aufheizphase der Glühstiftkerze 2 an, in welcher die instationäre Temperaturverteilung sich zu einer stationären Temperaturverteilung über die gesamte Glühstiftkerze 2 ausgleicht. Eine solche Aufheizphase dauert normalerweise annähernd 30 s. Während diesem Zeitraum steht die Temperatur der Glühstiftkerze 2 einer Steuerung und/oder Regelung durch das die Software für die Glühfunktion enthaltende Motorsteuergerät 7 nicht zur Verfügung. Erst nachdem sich der stationäre Temperaturverlauf der Glühstiftkerze 2 eingestellt hat, konnte bisher nach dem Stand der Technik die Regelung der Glühfunktion erfolgen.
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In 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm zur Kalkulation der Temperatur während der Aufheizphase dargestellt, die als Software in das Motorsteuergerät 7 integriert wird und dort bei einer Temperaturregelung der Glühfunktion der Glühstiftkerze berücksichtigt wird.
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Im Block 100 wird die Energie der Glühstiftkerze 2 bestimmt, indem die Bordnetzspannung des Fahrzeuges, welches der Dieselmotor 4 antreibt, und der Strom gemessen werden. Abhängig von dieser Bordnetzspannung wird die Zeitdauer der Push-Phase bestimmt. Anschließend wird im Block 101 die Temperatur TPush bestimmt, welche die Spitze der Glühstiftkerze 2 auf Grund der der Glühstiftkerze 2 innerhalb der Push-Phase zur Verfügung gestellten Energie in Form der Push-Spannung erreicht hat.
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Ausgehend von diesen Voraussetzungen wird im Block 102 eine Widerstandsdifferenz ΔR(t=0) errechnet. ΔR(t=0) = R(t=30) – RPush(t=0) (1)
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Alternativ können die Widerstandswerte direkt in eine Temperatur umgerechnet werden. Dann gilt: ΔT(t=0) = T(t=30) – TPush(t=0) wobei T(t=30) = f(R(t=30)) und TPush(t=0) = f(RPush(t=0)) sind.
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Die Messung des Widerstandswertes R(t=30) erfolgt dabei unter der Voraussetzung des Vorliegens eines stationären Temperaturverteilung einmalig nach dem Einbau der Glühstiftkerze 2 in den Dieselmotor 4 und wird für weitere Berechnungen abgespeichert. Alternativ kann der Widerstandswert R(t=30) aus einem Widerstandsmodell berechnet werden, welches den Widerstandswert R(t=30) als eine Funktion der in der Push-Phase erreichten Temperatur TPush der Glühstiftkerze 2 ansieht, wobei, wie bereits erläutert, die Temperatur TPush eine Funktion der in der Push-Phase der Glühstiftkerze 2 zur Verfügung gestellten Energie ist.
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Im Block 103 wird der in der Aufheizphase vor sich gehende Temperaturausgleichsvorgang, der auf die Push-Phase folgt unter der Berücksichtigung der thermischen Relaxationszeit t mit einem Exponential-Ansatz modelliert. Tmod = f(Rmess) + ΔR(tK) (2),
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Bei einer Umrechnung in eine Temperatur gilt: Tmod = Tact + ΔT(tK), wobei Tact = f(Rmess) wobei ΔR(tK) = f(exp(–dtK/τ)
bzw. ΔT(tK) = f(exp(–dtK/τ).
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Dabei wird ein Widerstand Rmess bestimmt, welcher zu einem Zeitpunkt t0 am Glühdraht der Glühstiftkerze anliegt. Dazu wird die an dem Glühdraht der Glühstiftkerze 2 anliegenden Spannung und der durch die Glühstiftkerze fließende Strom gemessen und daraus der Widerstand Rmess berechnet.
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Der Zeitpunkt t0 stellt dabei das Ende der Push-Phase aber auch gleichzeitig den Beginn des Temperaturausgleichsvorganges, also der Aufheizphase dar.
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Es erfolgt eine Initialisierung, indem der aus der Gleichung (1) ermittelte Widerstandsdifferenziert ΔR(t=0) bzw. Temperaturdifferenziert ΔT(t=0)mit der Exponentialfunktion multipliziert werden. ΔR(t0+1) = exp(–dt/τ)·ΔR(t=0)(3) oder ΔT(t0+1) = exp(–dt/τ)·ΔT(t=0).
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Die Zeitkonstante τ bildet dabei eine einmalig für jede Glühstiftkerze 2 vor ihrem Einsatz zu bestimmende Größe, die im Motorsteuergerät 7 abgespeichert ist. Der Parameter –dt gibt den Zeitabschnitt der thermischen Relaxation an (beginnend mit t(0), zu welcher der Widerstandswert ΔR(t0+1) ermittelt wurde). Somit wird der Startwert ΔR(t0+1) erhalten, welcher in die Funktion (2) eingesetzt wird und somit der erste modellierte Temperaturwert Tmod bestimmt wird. Dieser modellierte Temperaturwert wird in der Regelung des Glühverhaltens der Glühstiftkerze als Temperaturistwert verarbeitet (Block 104).
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Während der Aufheizphase wird der Widerstandswert ΔR(tk) k-mal, verteilt auf die gesamte Aufheizphase, beispielsweise alle 100 ms, berechnet, indem im Block 103 immer der zuletzt berechnete Widerstandswert mit der Exponentialfunktion multipliziert wird. Daraus ergibt sich: ΔR(tk) = exp(–dtK/τ)·ΔR(tk-1) (4) oder bei der Umrechnung der Widerstandswerte in eine Temperatur ΔT(tk) = exp(–dtK/τ)·ΔT(tk-1).
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Jeder Widerstandswert ΔR(tk) bzw. Temperaturwert ΔT(tk) wird anschließend im Block 104 dazu verwendet die Temperatur Tmod für den vorgegebenen Zeitabschnitt tK zu berechnen und als Temperaturistwert in die Regelung während der Aufheizphase zu verwerten.
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Das beschriebene Modell bildet den instationären Temperaturverlauf sowohl an ruhender Luft als auch bei dem Start des Dieselmotors oder im Leerlauf sehr gut ab und kann daher für die Regelung der Glühtemperatur der Glühstiftkerze 2 in der Aufheizphase vorteilhaft genutzt werden.
