DE102011087989A1

DE102011087989A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011087989A1
Application number: DE102011087989A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Janzen; Sascha Joos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Glühzustand der Glühstiftkerze (2) eingestellt wird. Bei einer bedarfsorientierten Ansteuerung der Glühstiftkerze wird der Glühzustand der Glühstiftkerze (2) der aktuell in der Brennkraftmaschine (4) ablaufenden Verbrennung angepasst, wobei der Glühzustand insbesondere hinsichtlich einer Glühdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze (2) verändert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Glühzustand der Glühstiftkerze eingestellt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Glühstiftkerzen, welche in Verbrennungsmotoren, vorzugsweise in modernen Dieselmotoren, zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden, weisen einen Heizer auf, welcher die kalte Glühstiftkerze auf eine Glühtemperatur vorglüht, die so hoch ist, dass diese für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht. Allerdings ist die Verteilung der Temperatur ausgehend von dem Heizer über die gesamte Glühstiftkerze sehr inhomogen, so dass sich Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur des Heizers, der sich im Inneren der Glühstiftkerze befindet, und der Temperatur an der Oberfläche der Glühstiftkerze ergeben. Eine Steuerung der Glühdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze erfolgt in vielen Fällen nach empirischen Ansätzen und wird in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur, einer Kühlwassertemperatur, einem Motorbetriebspunkt oder ähnlichem ausgeführt.
Aus der DE 10 2008 001 589 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Glühtemperatur von Glühstiftkerzen eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem in Abhängigkeit von einem Motorverhalten in eine aktuelle Glühphase eingegriffen wird, wobei wenigstens ein glühphasenabhängiges Kriterium bestimmt wird, welches das Motorverhalten beschreibt, wobei dieses Kriterium zum Auslösen von wenigstens einer glühphasenabhängigen Maßnahme herangezogen wird, durch welche die Glühtemperatur mindestens einer Glühstiftkerze des Motors verändert wird.
Aus der DE 10 2008 043 025 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher zur Reduzierung der Abgasemissionen die Glühstiftkerze in Abhängigkeit der Arbeitsweise eines Katalysators angesteuert wird.
Um die Alterung einer Glühstiftkerze zu korrigieren, ist aus der DE 10 2008 002 574 A1 bekannt, zunächst den Alterungszustand der Glühstiftkerze zu ermitteln und in Abhängigkeit von dem Alterungszustand die Glühstiftkerze so anzusteuern, dass eine höhere Glühtemperatur erreicht wird.
Die beschriebenen Lösungen orientieren sich an den Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine, welche ein bedarfsorientiertes Glühen der Glühstiftkerze nur bedingt ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei welchem ein bedarfsorientiertes Glühen der Glühstiftkerze hinsichtlich einer Glühdauer und einer Glühtemperatur zuverlässig gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Glühvorgang der Glühstiftkerze der aktuell in der Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennung angepasst wird, wobei der Glühvorgang insbesondere hinsichtlich einer Glühdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze verändert wird. Durch die Ansteuerung der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der tatsächlich ablaufenden Verbrennung erfolgt eine bedarfsgerechte Aktivierung bzw. Deaktivierung der Glühstiftkerze. Neben der Glühdauer wird auch die Glühtemperaur der Glühstiftkerze eingestellt. Dabei kann das Glühen der Glühstiftkerze auf der Basis von Verbrennungsmerkmalen für verschiedene Betriebspunkte und Betriebsmodi der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Darüber hinaus erhöht das bedarfsorientierte Glühen die Lebensdauer der Glühstiftkerze und entlastet gleichzeitig das elektrische Bordnetz. Unter Berücksichtigung der Streuungen der Brennkraftmaschinen wird die Verbrennung für die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine verbessert, wobei gleichzeitig Schadstoffemissionen, wie Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, verringert werden, was insbesondere durch die Minimierung von Zündaussetzern erfolgt.
Vorteilhafterweise wird die aktuell in der Brennkraftmaschine ablaufende Verbrennung mittels eines Sensors erfasst und in Abhängigkeit des von dem Sensor erfassten Parameters der Glühvorgang an die Glühstiftkerze angepasst. Da für diese Art der Ansteuerung der Glühstiftkerze Sensoren genutzt werden, die an sich für andere Zwecke in oder an der Brennkraftmaschine angeordnet sind, kann dieses Verfahren ohne großen zusätzlichen Hardwareaufwand und somit sehr kostengünstig durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung wird ein Istwert des von dem Sensor ermittelten Parameters mit einem Sollwert verglichen und bei Überschreitung des Sollwertes durch den Istwert des Parameters der Glühvorgang der Glühstiftkerze angepasst. Aufgrund dieser sehr einfachen Vorgehensweise wird das bedarfsorientierte Glühen für verschiedene Betriebspunkte bzw. Betriebsmodi der Brennkraftmaschine eingesetzt.
In einer Variante misst der Sensor als Parameter zur Erfassung der aktuell in der Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennung einen Brennraumdruck und/oder einen Körperschall der Brennkraftmaschine und/oder einen innerhalb der Brennkraftmaschine während der Verbrennung auftretenden Ionenstrom. Mittels dieser Parameter kann der Verlauf der Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine einfach nachvollzogen werden.
In einer Weiterbildung wird aus dem gemessenen Parameter ein Parametergradient über einem Kurbelwellenwinkel ermittelt, wobei bei Überschreitung eines Gradientenschwellwertes durch den Parametergradienten der Glühvorgang der Glühstiftkerze gestartet und/oder die Glühstiftkerze mit einer, dem Parametergradienten entsprechenden Glühtemperatur betrieben wird. Dieser Parametergradient ist ein Maß für die Stabilität der Verbrennung, wobei gleichzeitig Geräusche und Zündverzug der Brennkraftmaschine ausgewertet werden.
Alternativ wird aus dem gemessenen Parameter eine Standardabweichung des induzierten Mittelparameterwertes bestimmt, wobei bei Überschreitung einer Applizierschwelle durch die Standardabweichung der Glühvorgang der Glühstiftkerze gestartet und/oder die Glühstiftkerze mit einer, der Standardabweichung entsprechenden Glühtemperatur betrieben wird. Die Standardabweichung ist ein Maß für die Laufunruhe und somit für die Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine.
In einer weiteren Alternative wird aus dem gemessenen Parameter eine, den Verbrennungsschwerpunkt zu dem Kurbelwellenwinkel charakterisierende Verbrennungslage ermittelt, wobei in Abhängigkeit von einer Abweichung der ermittelten Verbrennungslage zu einer erwarteten Verbrennungslage die Glühtemperatur der Glühstiftkerze bestimmt wird. Die Abweichung der Verbrennungslage ist ein Maß für den Zündverzug der Brennkraftmaschine. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Aktivierung der Glühstiftkerze bzw. die Erhöhung der Glühtemperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der Qualität des verwendeten Kraftstoffes erfolgen kann, welcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Darüber hinaus wird auf ein individuelles Verdichtungsverhältnis, welches das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylindern der Brennkraftmaschine einnimmt, abgestellt, weshalb ein sehr bedarfsorientiertes Glühen der Glühstiftkerze erfolgt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird aus dem gemessenen Parameter ein Stellbereich eines Verbrennungslagereglers bestimmt, wobei in Abhängigkeit von der Größe des Stellbereiches die Glühtemperatur der Glühstiftkerze eingestellt wird. Durch diesen Stellbereich kann der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine verändert werden, wodurch bei einer geeigneten Glühtemperatur ein Zündverzug entsprechend verkürzt werden kann. Je größer der Stellbereich des Verbrennungslagereglers ist, umso höher ist die Glühtemperatur, um das Einspritzmuster wieder auf den ursprünglich vorgesehenen Einspritzzeitpunkt zu verschieben.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Steuergerät zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, mit welchem ein Glühvorgang der Glühstiftkerze eingestellt wird und welches mit mindestens einer Glühstiftkerze und mindestens einem, eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine detektierenden Sensor verbunden ist. Bei einem Steuergerät, welches ein bedarfsorientiertes Glühen der Glühstiftkerze hinsichtlich Glühdauer und Glühtemperatur ermöglicht, sind Mittel vorhanden, die den Glühvorgang der Glühstiftkerze der aktuell, von dem wenigstens einen Sensor in der Brennkraftmaschine detektierten Verbrennung anpassen, wobei insbesondere der Glühvorgang hinsichtlich einer Glühdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze verändert wird. Durch eine solche bedarfsorientierte Aktivierung bzw. Deaktivierung der Glühstiftkerze wird die Lebensdauer der Glühstiftkerze erhöht und das Bordnetz elektrisch entlastet. Gleichzeitig verringern sich die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine.
Vorteilhafterweise ist der Sensor ein Brennraumdrucksensor und/oder ein Klopfsensor und/oder ein Ionenstromsensor. Mit diesen bereits im Kraftfahrzeug für andere Applikationen verbauten Sensoren lässt sich der Glühvorgang besonders kostengünstig einstellen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur: Prinzipdarstellung der Anordnung einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor
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 Glühsysteme eingesetzt, welche aus Glühstiftkerzen, einem Glühzeitsteuergerät und einer Glühsoftware, welche in einem Motorsteuergerät abgelegt ist, bestehen.
Die Figur 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 einer Nennspannung von beispielsweise 11 Volt ansteuert. Das Glühzeitsteuergerät 5 ist mit dem Motorsteuergerät 7 verbunden, welches wiederum an den Dieselmotor 4 führt. Darüber hinaus ist ein Brennraumdrucksensor 8 ebenfalls im Brennraum 3 des Dieselmotors 4 angeordnet, welcher mit dem Glühzeitsteuergerät 5 verbunden ist.
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 durch einen nicht weiter dargestellten Heizer der Glühstiftkerze 2 in Wärme umgewandelt. Dabei steigt die Temperatur an der Spitze der Glühstiftkerze 2 steil an. Die Heizleistung des Heizers wird über das elektronische Glühzeitsteuergerät 5 an die Anforderung des jeweiligen Dieselmotors 4 angepasst. Dabei wird insbesondere der von dem Brennraumdrucksensor 8 gelieferte Brennraumdruck zur Ansteuerung der Glühstiftkerze 2 ausgewertet. Anhand von verschiedenen Detektionskriterien wird die Glühstiftkerze 2 aktiviert bzw. deaktiviert. Es werden applizierbare Schwellen über- bzw. unterschritten, wobei die Glühstiftkerze 2 mit einer festzulegenden Glühtemperatur aktiviert bzw. abgeschaltet wird.
Im Weiteren sollen verschiedene Detektionskriterien betrachtet werden, die durch einen Mikrocontroller des Glühzeitsteuergerätes 5 ermittelt und überwacht werden. Aus dem, von dem Brennraumdrucksensor 8 ermittelten Brennraumdruck p wird eine Standardabweichung PMI (induzierter Mitteldruck) bestimmt. Überschreitet die aus dem Brennraumdruck abgeleitete Standardabweichung eine Applizierschwelle, so wird der Glühvorgang der Glühstiftkerze 2 eingeschaltet und die Glühstiftkerze 2 mit einer der Standardabweichung entsprechenden Glühtemperatur geglüht. Die Standardabweichung PMI ist ein Maß für die Laufunruhe und somit der Verbrennungsstabilität des Dieselmotors 4. Je höher die Standardabweichung PMI ist, desto höher ist die Glühtemperatur zu wählen.
Als weiteres Detektionskriterium wird aus dem Verlauf des Brennraumdruckes p, über dem Kurbelwellenwinkel α die Verbrennungslage ermittelt. Dabei kann detektiert werden, bei welchem Winkel α der Kurbelwelle wie viel Prozent des Kraftstoffes verbrannt worden sind. Weicht die ermittelte Verbrennungslage von einer erwarteten Verbrennungslage ab, wird die Glühstiftkerze 2 eingeschaltet. In Abhängigkeit der Abweichung der ermittelten Verbrennungslage zu der erwarteten Verbrennungslage wird eine entsprechende Glühtemperatur für die Glühstiftkerze 2 gewählt. Die Abweichung der Verbrennungslage ist ein Maß für einen Zündverzug und somit der Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine. Je höher die Abweichung zwischen der tatsächlichen und der erwarteten Verbrennungslage ist, umso höher muss die Glühtemperatur gewählt werden.
In einer Alternative wird als Detektionskriterium der Stellbereich eines Verbrennungslagereglers bestimmt. Bei dem Verbrennungslageregler handelt es sich um den Regler, welcher den Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes bestimmt. Neben der Verstellung des Einspritzzeitpunktes kann durch eine geeignete Glühtemperatur auch ein Zündverzug entsprechend verkürzt werden. Wird beispielsweise ein neuer Kraftstoff in den Brennraum 3 des Dieselmotors 4 eingespritzt, welcher eine veränderte Verbrennungslage gegenüber dem in vorhergehenden Zyklen der Verbrennung verwendeten Kraftstoff aufweist, wird durch die Verstellung des Einspritzzeitpunktes diese Veränderung ausgeglichen. Je größer der Stellbereich des Verbrennungslagereglers ist, desto höher wird die Glühtemperatur der Glühstiftkerze 2 eingestellt, um das Einspritzmuster wieder auf das ursprünglich vorgesehene Zeitverhalten zu verschieben.
Aus dem von dem Brennraumdrucksensor 8 gelieferten Brennraumdruck p über dem Kurbelwellenwinkel α lässt sich ein Druckgradient dp/dα ermitteln, mittels welchem die Ansteuerung der Glühstiftkerze bedarfsorientiert erfolgen kann. Überschreitet der Druckgradient dp/dα einen Schwellwert, so wird das Glühen der Glühstiftkerze 2 eingeschaltet, wobei bei einer Glühtemperatur geglüht wird, welche in Abhängigkeit des Druckgradienten dp/dα ermittelt wird. Der Druckgradient dp/dα ist ein Maß für die Verbrennungsstabilität, wobei gleichzeitig Geräusche und Zündverzug des Dieselmotors 4 ermittelt werden können. Je höher der Druckgradient dp/dα ist, umso höher ist die Glühtemperatur zu wählen.
Die erläuterten Detektionskriterien sind nicht auf die Auswertung eines mit einem Brennraumdruckregler 8 ermittelten Brennraumdruck p beschränkt. Bei Verwendung eines Körperschallsensors oder eines Ionenstromsensors kann die Verbrennung in dem Dieselmotor 4 äquivalent charakterisiert werden. Entscheidend ist, dass die Ansteuerung der Glühstiftkerze 2 auf der Basis von Merkmalen der Verbrennung innerhalb des Brennraumes 3 des Dieselmotors 4 geschieht, welches für verschiedene Betriebspunkte und Betriebsmodi des Dieselmotors 4 erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008001589 A1 [0003]
DE 102008043025 A1 [0004]
DE 102008002574 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Glühzustand der Glühstiftkerze (2) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühzustand der Glühstiftkerze (2) der aktuell in der Brennkraftmaschine (4) ablaufenden Verbrennung angepasst wird, wobei der Glühzustand insbesondere hinsichtlich einer Glühdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze (2) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuell in der Brennkraftmaschine (4) ablaufende Verbrennung mittels eines Sensors (8) erfasst wird und in Abhängigkeit des von dem Sensor (8) erfassten Parameters (p) der Glühvorgang der Glühstiftkerze (2) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Istwert des von dem Sensor (8) erfassten Parameters (p) mit einem Sollwert verglichen wird und bei Überschreitung des Sollwertes durch den Istwert des Parameters der Glühvorgang der Glühstiftkerze (2) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) als Parameter zur Erfassung der aktuell in der Brennkraftmaschine (4) ablaufenden Verbrennung einen Brennraumdruck (p) und/oder einen Körperschall der Brennkraftmaschine (4) und/oder einen innerhalb der Brennkraftmaschine (4) während der Verbrennung auftretenden Ionenstrom misst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Parameter (p) ein Parametergradient über einem Kurbelwellenwinkel (α) ermittelt wird, wobei bei Überschreitung eines Schwellwertes durch den Parametergradienten der Glühvorgang der Glühstiftkerze (2) gestartet und/oder die Glühstiftkerze (2) mit einer, dem Parametergradienten entsprechenden Glühtemperatur betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Parameter eine Standardabweichung des induzierten Mittelparameters bestimmt wird, wobei bei Überschreitung einer Applizierschwelle durch die Standardabweichung der Glühvorgang der Glühstiftkerze (2) gestartet und/oder die Glühstiftkerze (2) mit einer, der Standardabweichung entsprechenden Glühtemperatur betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Parameter eine, den Verbrennungsschwerpunkt zu dem Kurbelwellenwinkel (α) charakterisierende Verbrennungslage ermittelt wird, wobei in Abhängigkeit von einer Abweichung der ermittelten Verbrennungslage zu einer erwarteten Verbrennungslage die Glühtemperatur der Glühstiftkerze (2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Parameter ein Stellbereich eines Verbrennungslagereglers bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit von der Größe des Stellbereiches die Glühtemperatur der Glühstiftkerze (2) eingestellt wird.
Steuergerät zur Ansteuerung einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, mit welchem ein Glühzustand der Glühstiftkerze (2) eingestellt wird und welches mit mindestens einer Glühstiftkerze (2) und mit mindestens einem, eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine (4) detektierenden Sensor (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die den Glühzustand der Glühstiftkerze (2) der aktuell, von dem mindestens einen Sensor (8) in der Brennkraftmaschine (4) detektierten Verbrennung anpassen, wobei insbesondere der Glühvorgang hinsichtlich einer Glühzeitdauer und/oder einer Glühtemperatur der Glühstiftkerze (2) verändert wird.
Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Brennraumdrucksensor (8) und/oder ein Klopfsensor und/oder ein Ionenstromsensor ist.