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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welchem die Glühstiftkerze mit einer Glühspannung angesteuert wird, die aus einem Vergleich einer Solltemperatur der Glühstiftkerze mit einer Isttemperatur der Glühstiftkerze ermittelt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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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.
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Aus der
DE 10 2008 001 589 A1 ist ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühstiftkerzen in einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird eine Solltemperatur mit einer Isttemperatur der Glühstiftkerze in einer Regeleinheit verglichen und eine Spannungsdifferenz ausgegeben, aus welcher eine Glühspannung bestimmt wird, mittels welcher die Glühstiftkerze angesteuert wird, um die gewünschte Solltemperatur zu erreichen. Die Isttemperatur der Glühstiftkerze wird anhand des Widerstandes der Glühstiftkerze ermittelt.
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Gegenwärtig wird für eine optimale Verbrennung in der Brennkraftmaschine mit abgesenktem Verdichtungsverhältnis die größtmöglichste Glühtemperatur bei verlängerter Glühzeit der Glühstiftkerze gefordert.
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Die Absicherung der Glühstiftkerzentemperatur kann aufgrund der erhöhten Komplexität der dieselmotorischen Verbrennung und der Häufigkeit des Auftretens von Übertemperaturen der Glühstiftkerze nicht mehr bei allen Betriebsarten zuverlässig erfolgen, was zu einer Verschlechterung der Dauerhaltbarkeit der Glühstiftkerze führen kann. Gleichzeitig nimmt der Aufwand an Applikation stark zu, um sicherzustellen, dass eine optimale Glühtemperatur bei möglichst vielen Betriebsarten der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze anzugeben, bei welchem der Applikationsaufwand zur Einstellung der Temperatur der Glühstiftkerze bei gleichzeitiger Verbesserung der Toleranzen durch die Regelung der Glühstiftkerzentemperatur reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Isttemperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von einer Wärmebilanz der Glühstiftkerze und/oder der Umgebung der Glühstiftkerze bestimmt wird. Dies hat den Vorteil, dass das Regelverfahren für viele Betriebsarten der Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es für Metallglühstiftkerzen geeignet, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nicht als Widerstandstemperatursensor verwendet werden können.
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Vorteilhafterweise wird ein, von der Glühstiftkerze abgegebener Wärmestrom der Wärmebilanz modelliert, wobei auf der Grundlage des modellierten Wärmestroms die Glühspannung so eingestellt wird, dass die Solltemperatur der Glühstiftkerze erreicht wird. Durch eine solche Modellierung wird ein sicherer Betrieb der Glühstiftkerze in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erreicht, wobei die Toleranzen durch die Regelung der Glühstiftkerzentemperatur verbessert werden. Dabei wird die Lebensdauer der Glühstiftkerze erhöht.
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In einer Ausgestaltung wird der von der Glühstiftkerze abgegebene Wärmestrom aus dem aktuellen Strom und der aktuellen Spannung der Glühstiftkerze ermittelt. Da diese Werte einem Steuergerät, welches die Temperaturregelung ausführt und zur Ansteuerung der Glühstiftkerze dient, bekannt sind, lässt sich der Wärmestrom einfach ermitteln.
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In einer Variante wird ein von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebener Umgebungswärmestrom in Abhängigkeit von einer Wärmefreisetzung eines in einem Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffes, einem Wärmeverlust der Zylinderwandung und/oder einem Verdampfungswärmeverlust bestimmt, wobei die Wärmefreisetzung des in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffes, der Wärmeverlust der Zylinderwandung und/oder der Verdampfungswärmeverlust über einen im Brennraum des Zylinders gemessenen Zylinderdruckverlauf berechnet werden. Dadurch, dass bei der Wärmebilanz nicht nur der aktuelle, von der Glühstiftkerze abgegebene Wärmestrom, sondern auch der von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebene Umgebungswärmestrom betrachtet wird, wird eine besonders genaue Modellierung der Isttemperatur der Glühstiftkerze möglich. Insbesondere dadurch, dass in den Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine ein Drucksensor angeordnet ist, lassen sich diese Wärmeverluste über den Druckverlauf berechnen.
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Der Applikationsaufwand zum Einstellen der Glühtemperatur der Glühstiftkerze wird reduziert, indem in einem Referenzbetrieb der Brennkraftmaschine jeweils ein Referenzkennfeld ermittelt wird, welches eine Referenzsolltemperatur der Glühstiftkerze und/oder den von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebenen Referenzumgebungswärmestrom und/oder den von der Glühstiftkerze abgegebenen Referenzwärmestrom in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehzahl darstellt. Bei der Ermittlung der Wärmebilanz der Glühstiftkerze in einem Betriebpunkt der Brennkraftmaschine kann somit immer auf einen Referenzpunkt abgestellt werden, wodurch der Mess- und Rechenaufwand sich während des Betriebes der Glühstiftkerze verringert.
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In einer Weiterbildung wird aus dem Referenzkennfeld in Abhängigkeit des aktuellen Drehmoments und der aktuellen Drehzahl der von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebener Referenzumgebungswärmestrom ermittelt, welcher mit dem aktuellen, von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebenen Umgebungswärmestrom verglichen wird und aus einer Differenz zwischen aktuellem Umgebungswärmestrom und dem Referenzumgebungswärmestrom ein Differenzumgebungswärmestrom bestimmt wird. Durch die Verwendung der Differenzumgebungswärmeströme bei der Berechnung der Isttemperatur der Glühstiftkerze werden Rechenfehler minimiert.
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Vorteilhafterweise wird aus dem Differenzumgebungswärmestrom und dem von der Glühstiftkerze abgegebenen Wärmestrom die Isttemperatur der Glühstiftkerze ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass die Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze für die unterschiedlichen Betriebsarten der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.
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Vorzugsweise wird ein von der Glühstiftkerze abgegebener Differenzwärmestrom aus dem aktuellen Wärmestrom der Glühstiftkerze und dem Referenzwärmestrom der Glühstiftkerze ermittelt, wobei die Isttemperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der Differenz des Differenzwärmestromes und des von der Umgebung abgegebenen Umgebungswärmestromes bestimmt wird. Neben der Verwendung der Differenzen, welche eine erhöhte Genauigkeit durch Fehlerreduzierung der Rechenwerte erlaubt, wird eine besonders hohe Genauigkeit der bestimmten Isttemperatur der Glühstiftkerze dadurch erreicht, dass sowohl die von der Glühstiftkerze abgegebene aktuelle Wärmemenge als auch der Umgebungswärmestrom der Glühstiftkerze, welcher auf die Umgebung der Glühstiftkerze zurückzuführen ist, berücksichtigt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die absolute Isttemperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von einer Wärmebilanz der Glühstiftkerze und/oder der Umgebung der Glühstiftkerze abgeleitet. Die Ermittlung der absoluten Werte hat dabei den Vorteil, dass keine Referenzwerte notwendig sind. Durch den Wegfall der Ermittlung der Referenzwerte vereinfacht sich die Bestimmung der Isttemperatur.
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In einer Variante wird die Ermittlung der Isttemperatur in Abhängigkeit von einer Wärmebilanz der Glühstiftkerze und/oder der Umgebung der Glühstiftkerze in der Brennkraftmaschine verwendet, bei welcher eine Druckmessung in nur einem Zylinder erfolgt. Eine Druckmessung in nur einem Leitzylinder der Brennkraftmaschine reicht aus, um die Temperatur der Glühstiftkerze richtig zu bestimmen, da die Druckmessung zur Bestimmung der Wärmeströme, die aus der Umgebung der Glühstiftkerze kommen, dient.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welcher die Glühstiftkerze mit einer Glühspannung angesteuert wird, die aus einem Vergleich einer Solltemperatur der Glühstiftkerze mit einer Isttemperatur der Glühstiftkerze ermittelt wird. Bei einem Verfahren zur Regelung der Glühstiftkerze, bei welchem der Applikationsaufwand gesenkt wird, aber die Toleranzen durch die Regelung verbessert werden, sind Mittel vorhanden, welche die Isttemperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von einer Wärmebilanz der Glühstiftkerze und/oder der Umgebung der Glühstiftkerze bestimmen. Eine solche Vorrichtung eignet sich nicht nur für die Regelung der Temperatur von Keramik-Glühstiftkerzen, sondern kann auch gleichzeitig für Metall-Glühstiftkerzen eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist das Mittel als Recheneinheit ausgebildet, welches ein Drucksignal von einem in einem Zylinder der Brennkraftmaschine positionierten Drucksensor erhält. Aufgrund dieses Drucksignales können die Umgebungswärmeströme, welche auf die Umgebung der Glühstiftkerze zurückzuführen sind, besonders einfach ermittelt werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
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1: Prinzipdarstellung der Anordnung einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor
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2: Temperaturregelkreis zur Einstellung der Glühspannung der Glühstiftkerze
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3: Ablaufdiagramm zur Bestimmung des von der Umgebung der Glühstiftkerze abgegebenen Umgebungswärmestromes
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4: Bestimmung der Isttemperatur der Glühstiftkerze
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Kalte Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, benötigen bei Umgebungstemperaturen von < 40°C eine Starthilfe zur Zündung des in dem 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 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 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 Motorsteuergerät 7 verbunden ist.
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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 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 Anforderungen des jeweiligen Dieselmotors 4 angepasst. Dabei wird insbesondere der von dem Brennraumdrucksensor 8 gelieferte Brennraumdruck zur Regelung und Ansteuerung der Glühstiftkerze ausgewertet.
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Die Wärme im Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine entsteht oder ändert sich dynamisch während der ständig wiederholten Arbeitsschritte in einem Arbeitszyklus (Kreisprozess mit vier Takten: Ansaugen der Luft, Verdichten oder Kompression der Luft, Arbeiten, Ausstoßen). Einfluss auf die Wärme des Brennraumes haben hauptsächlich die angesaugte Luft, der eingespritzte Diesel-Kraftstoff, die selbstständige Verbrennung des gebildeten Gemisches und das vom Zylinder ausgestoßene Abgas. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass ein Teil der Wärme über die Systemgrenzen hinaus abgegeben wird.
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In den 2 bis 4 ist das Prinzip der Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der Wärmebilanz schematisch dargestellt. Die in 2 gezeigten Glühstiftkerzen mit integriertem Brennraumdrucksensor 2a, 2n der Brennkraftmaschine sind spannungsgeregelt. Der aktuelle Strom IGLP2a; IGLP2n und die aktuelle Spannung UGLP2a; UGLP2n jeder Glühstiftkerze 2a, 2n ist dem Motorsteuergerät 7 bekannt. Darüber hinaus wird der Zylinderdruck pZyl ebenfalls über den in einer Glühstiftkerze 2a, 2n integrierten Brennraumdrucksensor 8 bestimmt und an das Motorsteuergerät 7 gemeldet.
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Aus dem aktuellen Strom IGLP2a; IGLP2n und der aktuellen Spannung UGLP2a; UGLP2n wird im Block 9 der aktuelle Wärmestrom . QGLP für jede Glühstiftkerze 2a, 2n berechnet.Dieser aktuelle Wärmestrom . QGLP wird mit einem Differenzumgebungswärmestrom Δ. Qsurround im Block 11 verarbeitet, wobei dieser Differenzumgebungswärmestrom Δ. Qsurround aus Wärmestromänderungen der Umgebung zum Referenzbetrieb der Glühstiftkerze 2a, 2n im Block 10 ermittelt wird. Aus dem Wärmestrom . QGLP und dem Differenzumgebungswärmestrom Δ. Qsurround wird die Isttemperatur TGLP,curr im Block 11 ermittelt. Diese Isttemperatur TGLP,curr wird in einem Punkt 12 mit einer Solltemperatur TGLP,Ref verglichen und daraus eine Differenztemperatur ΔTGLP bestimmt. Die Differenztemperatur ΔTGLP stellt dabei die Reglerabweichung dar und wird dem Regler (Block 13) zugeführt, welcher daraus die Glühspannungsdifferenz ΔUGLP bestimmt. Am Ausgang des Reglers wird die Glühspannungsdifferenz ΔUGLP zum Vorsteuerwert UGLP,Ref addiert. Der Vorsteuerwert UGLP,Ref ist die Sollansteuerspannung der Glühstiftkerzen 2a, 2n für einen beliebigen Motorbetriebspunkt im Motorreferenzbetrieb (Normalbetrieb). X und Z sind dabei zusätzliche Daten, welche beispielsweise Stoffwerte oder Steuergerätegrößen, wie z.B. die Ansauglufttemperatur, darstellen.
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Block
10, welcher als Eingangsgröße den von dem Brennraumdrucksensor
8 gemessenen Druck p
Zyl aufweist, ist in
3 näher dargestellt. Im Block
10 wird der Differenzumgebungswärmestrom
Δ. Qsurround berechnet. Dazu wird im Block
101 der aktuelle Umgebungswärmestrom
. Qsurround nach Gleichung 1 unter Berücksichtigung des Zylinderdruckverlaufes bestimmt, wobei angenommen wird:
Gleichung 1:
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Dabei gilt:
- Qfuel
- Wärmefreisetzung des Kraftstoffes
- Qwall heat loss
- Wärmeverlust der Zylinderwand
- Qvaporisation
- Verdampfungswärmeverlust
- p
- Druck
- V
- Volumen des Zylinders
- hgas in
- Enthalpie des Gases in den Zylinder einströmend
- mgas in
- Masse des Gases in den Zylinder einströmend
- hexhaust engine
- Enthalpie des vom Zylinder ausgestoßenen Verbrennungsgases
- mexhaust engine
- Masse des vom Zylinder ausgestoßenen Verbrennungsgases
- hleckage
- Enthalpie der Leckage des Gasmassenstromes
- mleckage
- Masse der Leckage des Gasmassenstromes
- U
- innere Energie
- ξ
- Stoffkomponente
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Die Terme dQfuel, dQwall heat loss und dQvaporisation werden über den Zylinderdruck pzyl berechnet, der mit dem, in der Glühstiftkerze 2a, 2n integrierten Brennraumdrucksensor 8 aufgezeichnet wird. Die weiteren Terme lassen sich unter Berücksichtigung der im Motorsteuergerät 7 vorhandenen Größen berechnen.
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In einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine wird in einem Referenzpunkt eine Referenzumgebungswärmemenge . Qsurround,Ref ermittelt (Block 102) und in einem Kennfeld in Abhängigkeit von der Drehzahl und vom Moment abgelegt. Die Referenzumgebungswärmemenge . Qsurround,Ref wird mit dem aktuellen, von der Umgebung abgegebenen Umgebungswärmestrom . Qsurround,curr im Punkt 103 verglichen. Aus dem aktuellen Umgebungswärmestrom . Qsurround,curr und dem entsprechend des aktuellen Moments und der aktuellen Drehzahl aus dem Kennfeld ausgelesenen Referenzumgebungswärmestroms . Qsurround,Ref wird ein Differenzumgebungswärmestrom Δ. Qsurround berechnet, der dem Block 11 als Eingangsgröße zugeführt wird.
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Im Block 11, welcher näher in 4 dargestellt ist, wird die Isttemperatur TGLP,curr der Glühstiftkerze 2a, 2n berechnet. Dazu wird aus dem Referenzwärmestrom QRef, welcher während des Magerbetriebes der Brennkraftmaschine in dem Referenzpunkt ermittelt wurde und im Block 111 abgespeichert ist, und dem aktuellen Wärmestrom . QGLP,curr der Glühstiftkerzen 2a, 2n, welcher bereits im Block 9 bestimmt wurde, ein Differenzwärmestrom Δ. QGLP im Punkt 112 gebildet.
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Mit der Änderung des Differenzumgebungswärmestroms
Δ. Qsurround , welcher im Block
10 bestimmt wurde, und des Differenzwärmestroms
Δ. QGLP wird die aktuelle Temperaturänderung ΔT
GLP,curr zum Referenzbetrieb im Block
11 berechnet. Diese aktuelle Temperaturänderung ΔdT
GLP,curr/dt zum Referenzbetrieb wird nach Gleichung 2 berechnet, welche anschließend noch über die Zeit integriert werden muss. Gleichung 2:
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Aus der Solltemperatur TGLP,Ref und der mit Gleichung 2 berechneten Temperaturabweichung ∆TGLP,curr kann die Isttemperatur TGLP,curr berechnet werden. Die Solltemperatur TGLP,Ref wird dabei in einem Kennfeld im Block 114 abgelegt und wird ebenfalls im Magerbetrieb der Brennkraftmaschine ermittelt und über dem Moment und der Drehzahl abgelegt.
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Im beschriebenen Ansatz der Bestimmung der Isttemperatur T
GLP,curr wird die Temperaturabweichung ΔT
GLP bestimmt und in die Reglung geführt, indem die Änderung des Umgebungswärmestromes der Umgebung und des Wärmestromes der Glühstiftkerze
2a,
2n zu einem Referenzpunkt bestimmt wird. Alternativ kann auch die absolute Temperatur der Glühstiftkerze
2a,
2b berechnet und diese dann eingeregelt werden. Dazu wird, wie in Gleichung 3 dargestellt ist, nicht die Änderung der Wärmeströme zum Referenzpunkt verwendet, sondern es wird mit den absoluten Wärmeströmen die Isttemperatur T
GLP,curr bestimmt. Aus dieser wird zum obigen Ansatz die Reglerabweichung bestimmt. Gleichung 3:
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Aufgrund einer Wärmebilanzmodellierung der Glühstiftkerze lässt sich der Applikationsaufwand zum Einstellen der Glühtemperatur der Glühstiftkerzen reduzieren, wobei gleichzeitig die Toleranzen der Regelung durch eine Regelung der Glühstiftkerzentemperatur verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001589 A1 [0003]