DE102017109071B4 - Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühkerzen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühkerzen eines Verbrennungsmotors, wobeialle Glühkerzen für einen Motorstart durch Zuführen elektrischer Energie nach einem Profil, das für alle Glühkerzen des Motors einheitlich vorgegeben ist, aufgeheizt werden,für jede der Glühkerzen für wenigstens eine vorgegebene Zeitspanne eine Widerstandsänderung ΔR während des Aufheizvorgangs ermittelt wird, undfür jede Glühkerze aus der wenigstens einen Widerstandsänderung ΔR ein Soll-Widerstandswert berechnet wird, der für die Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht hat, undder Soll-Widerstandswert verwendet wird, um die Temperatur der Glühkerze auf die Sollbetriebstemperatur zu regeln.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühkerzen eines Verbrennungsmotors.
• Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um Glühkerzen auf eine Solltemperatur zu regeln, beispielsweise aus DE 10 2012 102 013 A1 und DE 10 2006 060 632 A1 . Ein generelles Problem bei der Temperaturregelung von Glühkerzen ist dabei, dass insbesondere bei keramischen Glühkerzen der elektrische Widerstand herstellungsbedingt starken Schwankungen unterliegt. Da Ungenauigkeiten in der verwendeten Widerstandstemperaturcharakteristik eine entsprechende Ungenauigkeit bei der Temperaturregelung zur Folge haben, ist es wünschenswert, den elektrischen Widerstand einer Glühkerze bei einer gewünschten Solltemperatur möglichst genau zu kennen.
• Aus der DE 10 2011 004 514 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung einer Temperatur einer Glühkerze bekannt, bei dem mit Hilfe eines prädikativen Models geregelt wird.
• Um ein Überschwingen der Temperatur beim Aufheizen zu vermeiden, wird mit diesem Modell berücksichtigt, dass sich beim Aufheizen einer kalten Glühkerze auf die Betriebstemperatur zunächst ein instationärer Temperaturverlauf innerhalb der Glühkerze einstellt, der dann im anschließenden Betrieb in einen stationären Temperaturverlauf übergeht. Dies führt dazu, dass sich der zu einer Temperatur der Glühspitze gehörende Widerstand nach dem Aufheizen ändert. Die damit verbundene Widerstandsdifferenz wird mit dem Modell prognostiziert und neben dem gemessenen Widerstand als Eingangsgröße der Regelung verwendet.
• Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Widerstandstemperaturcharakteristik einer Glühkerze besteht darin, den Motor einige Minuten im Stillstand zu halten und dann die Glühkerze für bestimmte Zeit, z.B. etwa eine Minute, mit einer konstant vorgegebenen elektrischen Leistung zu beheizen, bis die Glühkerze einen Gleichgewichtszustand erreicht, dessen Temperatur durch die Heizleistung und die Wärmeabfuhr bei stillstehendem Motor definiert und folglich bekannt ist bzw. durch entsprechende Messung für alle künftigen Fälle ermittelt werden kann. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, sehr aufwendig zu sein.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einem Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühkerzen der zu einer Sollbetriebstemperatur gehörende elektrische Widerstand rasch bestimmt werden kann.
• 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 alle Glühkerzen für einen Motorstart durch Zuführen elektrischer Energie nach einem Profil, das für alle Glühkerzen des Motors einheitlich vorgegeben ist, aufgeheizt. Dieses Profil ist bevorzugt ein Leistungsprofil, gibt also den zeitlichen Verlauf der in die Kerze eingespeisten Leistung vor. Alternativ kann das Profil aber auch ein Stromprofil oder ein Spannungsprofil sein.
• Beim Zuführen der elektrischen Energie gemäß dem gewählten Profil wird dann für jede der Glühkerzen eine Widerstandsänderung ermittelt und aus dieser Widerstandsänderung ein Sollwiderstandswert berechnet, der für die Glühkerze bei ihrer Sollbetriebstemperatur erwartet wird. Dieser Sollwiderstandswert wird dann verwendet, um die Temperatur der Glühkerze auf diese Sollbetriebstemperatur zu regeln, beispielsweise mit einem PID-Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für keramische Glühkerzen geeignet.
• Ein wichtiger Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der für den Betrieb erforderliche Sollwiderstandswert beim Aufheizen der Glühkerze für einen Motorstart ermittelt wird, also keine zusätzliche Zeit benötigt wird. Zudem wird der Sollwiderstandswert bei jedem Motorstart neu ermittelt, so dass ein eventuell stattgefundener Glühkerzenwechsel sowie eine alterungsbedingte Veränderung der Glühkerzen unproblematisch sind.
• Die elektrischen Widerstände von keramischen Glühkerzen unterliegen herstellungsbedingt starken Schwankungen. Indem nun an die einzelnen Glühkerzen eines Motors anstelle einer einheitlichen Spannung ein einheitliches Aufheizprofil, insbesondere ein einheitliches Leistungsprofil angelegt wird, können die Einflüsse unterschiedlicher Widerstandstemperaturcharakteristiken der Glühkerzen auf das Aufheizverhalten eliminiert werden. Im Rahmen der Erfindung wurde dabei festgestellt, dass sich der zu einer Sollbetriebstemperatur gehörende Widerstand aus einem oder mehreren Werten der Widerstandsänderung beim Aufheizen der Glühkerze berechnen lässt. Bevorzugt wird dazu eine empirische Formel verwendet, die eine lineare Abhängigkeit des Sollwiderstandswerts von dem Wert der Widerstandsänderung vorsieht, bei der also der Sollwiderstandswert proportional zu der Widerstandsänderung ist. Gut geeignet zur Berechnung des Sollwiderstandswerts R_Soll als Funktion einer Widerstandsänderung ΔR ist die folgende Gleichung: $${\text{R}}_{\text{Soll}}=\text{a}\cdot \mathrm{\Delta }\text{R}+\text{b}.$$

  
• Darin sind a und b Parameter, die empirisch für eine Sollbetriebstemperatur einer Baureihe von Glühkerzen ermittelt werden, beispielsweise vom Hersteller, und in einem Glühkerzensteuergerät, welches das erfindungsgemäße Verfahren durchführt, für den entsprechenden Glühkerzentyp abgespeichert sein können. Dabei kann die zeitliche Ableitung des Widerstands als Widerstandsänderung ΔR verwendet werden.
• Das elektrische Profil, das den Glühkerzen zum Aufheizen für einen Motorstart zugeführt wird, kann theoretisch für die gesamte Aufheizzeit konstant sein, also im Falle eines Leistungsprofils eine konstante Leistung vorsehen, oder mehrere konstante Stufen vorsehen. Bevorzugt wird zum Aufheizen einer Glühkerze auf ihre Betriebstemperatur für einen Motorstart ein Leistungsprofil verwendet, das die elektrische Leistung während des Aufheizvorgangs ändert, beispielsweise nach vorgegebenen Zeitspannen in Schritten absenkt. Gut geeignet sind insbesondere Leistungsprofile, welche die elektrische Leistung während des Aufheizvorgangs nahezu kontinuierlich ändern bzw. absenken. Beispielsweise kann das elektrische Leistungsprofil so gewählt sein, dass sich eine annähernd lineare Widerstandsänderung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ergibt. Bevorzugt wird dann zur Berechnung des Soll-Widerstandswerts, der für die Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht hat, die Widerstandsänderung für eine solche vorgegebene Zeitspanne ermittelt, in der sich durch das vorgegebene Leistungsprofil eine annährend konstante Widerstandsänderung pro Zeiteinheit ergibt.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Widerstandsänderung aus Messwerten ermittelt wird, die in den ersten 800 ms nach dem Beginn des Aufheizens gemessen werden. Dies hat den Vorteil, dass die ermittelten Widerstandswerte nicht durch den beginnenden Motorbetrieb beeinflusst werden können, etwa durch das Einspritzen von Treibstoff.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für jede Glühkerze für mehrere Zeitintervalle ein Wert für die Änderung des Widerstandes ermittelt wird. Diese Werte können individuell in die Berechnung des Soll-Widerstandswerts eingehen, der für die Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht hat. Bevorzugt wird aber aus mehreren Werten der Widerstandsänderung ein Gesamtwert ermittelt, der dann für die Berechnung des Sollwiderstandwerts verwendet wird, der für die Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht hat. Im Rahmen der Erfindung wurde nämlich festgestellt, dass die Widerstandsänderung zu Beginn des Aufheizvorgangs in guter Näherung konstant ist. Durch Mittelung mehrerer Änderungswerte, die zu Beginn des Aufheizvorgangs ermittelt werden, beispielsweise in den ersten 800 ms, kann deshalb ein präziserer Wert für die Änderung des Widerstandes, beispielsweise die zeitliche Ableitung des Widerstandes ermittelt werden. Die einzelnen Zeitintervalle können aneinander angrenzen, oder überlappen. Überlappende Zeitintervalle zu verwenden hat den Vorteil, dass in einem begrenzten Messfenster aus einer größeren Anzahl von Werten der Widerstandsänderung ein Mittelwert berechnet und somit die Genauigkeit verbessert werden kann.
• Das Messfenster bzw. die einzelnen Zeitintervalle oder Zeitdauern können jeweils durch eine explizite Zeitvorgabe definiert werden. Wenn das Profil ein Leistungsprofil ist, ist dies gleich bedeutend mit einer Energievorgabe. Wenn das Profil ein Stromprofil oder ein Spannungsprofil ist, ist dies jedoch nicht der Fall. Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht deshalb darin, Messfenster, Zeitdauern und/oder Zeitintervalle durch eine Energiemenge zu definieren, so dass das Ende des Messfensters, der Zeitdauer bzw. des betreffenden Zeitintervalls erreicht ist, wenn eine vorgegebene Menge elektrischer Energie in die Glühkerze eingespeist wurde.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 den Widerstand R von verschiedenen keramischen Glühkerzen als Funktion der Zeit beim Aufheizen mit einem für alle Glühkerzen einheitlich vorgegebenen Leistungsprofil, das durch die mit einem Pfeil versehene Line angegeben ist; und
• 2 den Widerstand R_end, der von verschiedenen keramischen Glühkerzen am Ende des Aufheizvorgangs erreicht wird, über der Widerstandsänderung ΔR während des Aufheizvorgangs.
• 1 zeigt für verschiedene Glühkerzen den Verlauf des Widerstands R in mΩ beim Aufheizen mit einem für alle Glühkerzen einheitlich vorgegebenen Leistungsprofil. Der Verlauf des Leistungsprofils ist in 1 durch eine Linie angegeben, die mit einem Pfeil versehen ist, der zu der rechten Ordinatenachse hindeutet, an der die Leistung P in Watt angegeben ist. Bei dem verwendeten Leistungsprofil fällt die an den Glühkerzen abgegebene Leistung kontinuierlich ab. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel lässt sich das Leistungsprofil grob in drei Abschnitte unterteilen, in denen die angelegte Leistung jeweils linear unterschiedlich schnell absinkt. Zum Aufheizen der Glühkerzen können auch alternative Leistungsprofile verwendet werden, beispielsweise Leistungsprofile, bei denen die Leistung in Schritten geändert wird und längere Zeit konstant bleibt.
• Unabhängig von dem verwendeten Leistungsprofil besteht ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen dem Widerstand R_end, der am Ende des Aufheizvorgangs erreicht wird, und der Widerstandsänderung ΔR während des Aufheizvorgangs bzw. während eines vorgegebenen Teils der Aufheizzeit. Dieser Sachverhalt ist schematisch in 2 dargestellt, in der der am Ende des Aufheizvorgangs erreichte Widerstand R_end in Ω und die Widerstandsänderung ΔR in mΩ/s aufgetragen ist. 2 dokumentiert somit, dass ein linearer Zusammenhang herrscht zwischen einer Widerstandsänderung ΔR, die während des Aufheizens einer Glühkerze für einen Motorstart in einem vorgegebenen Zeitintervall auftritt, und dem Widerstand R_end der Glühkerze am Ende eines Aufheizvorgangs, also dem Widerstand bei ihrer Sollbetriebstemperatur.
• Indem alle Glühkerzen eines Motors für einen Motorstart durch Zuführen eines elektrischen Leistungsprofils, das für alle Glühkerzen des Motors einheitlich vorgegeben ist, aufgeheizt werden und für jede der Glühkerzen für wenigstens eine vorgegebene Zeitspanne eine Widerstandsänderung ΔR ermittelt wird, kann somit aus der Widerstandsänderung ΔR ein Sollwiderstandswert berechnet werden, der für jede Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht. Der so berechnete Sollwiderstandswert kann deshalb zur Temperaturregelung der Glühkerze auf die Sollbetriebstemperatur verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühkerzen eines Verbrennungsmotors, wobei alle Glühkerzen für einen Motorstart durch Zuführen elektrischer Energie nach einem Profil, das für alle Glühkerzen des Motors einheitlich vorgegeben ist, aufgeheizt werden, für jede der Glühkerzen für wenigstens eine vorgegebene Zeitspanne eine Widerstandsänderung ΔR während des Aufheizvorgangs ermittelt wird, und für jede Glühkerze aus der wenigstens einen Widerstandsänderung ΔR ein Soll-Widerstandswert berechnet wird, der für die Glühkerze erwartet wird, wenn diese ihre Sollbetriebstemperatur erreicht hat, und der Soll-Widerstandswert verwendet wird, um die Temperatur der Glühkerze auf die Sollbetriebstemperatur zu regeln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderung ΔR aus Messwerten ermittelt wird, die innerhalb einer Zeitspanne gemessen werden, in der der Motor noch nicht gestartet ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderung ΔR aus Messwerten ermittelt wird, die in den ersten 800 Millisekunden nach dem Beginn des Aufheizens gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Widerstandswert mit einer Formel berechnet wird, bei welcher der Soll-Widerstandswert als proportional zu der Widerstandsänderung ΔR angenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil ein Leistungsprofil ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Glühkerze für mehrere Zeitintervalle ein Wert für die Widerstandsänderung ΔR ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsprofil während der Zeitintervalle so gewählt wird, dass sich eine nahezu lineare Widerstandsänderung der Glühkerzen ergibt.
8. Verfahren nach Anspruche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten für die Widerstandsänderung der einzelnen Zeitintervalle ein Gesamtwert berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle in den ersten 800 Millisekunden nach dem Beginn des Aufheizvorgangs liegen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitintervalle überlappen.

Images