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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen
eines Dieselmotors.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen
dienen dazu, die Glühkerzen
eines Dieselmotors auf eine Solltemperatur zu bringen, bei der der
Motor gestartet werden kann.
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Aus MTZ 10/2000 „Das elektronisch gesteuerte
Glühsystem
ISS für
Dieselmotoren" ist
ein Verfahren zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors
bekannt, bei dem der Glühbefehl oder
die Glühanforderung
nach abgeschlossener Initialisierung der Motorsteuerung, nach erfolgter
Bestimmung der Temperatur der Motorelemente über die Motor steuerung und
anschließendem
erfolgreichen Aufbau einer Kommunikation zwischen der Motorsteuerung
und dem Glühsteuergerät gegeben wird.
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Zur Steuerung der Aufheizung der
Glühkerzen
eines Dieselmotors ist es wichtig, den thermischen Zustand der Glühkerzen,
insbesondere von Schnellstartglühkerzen,
beispielsweise die Resttemperatur der Glühkerzen nach einer vorherigen
Aufheizung beim Wiederholstart zu kennen und in die folgende Steuerung
einzubeziehen. Der thermische Zustand der Glühkerzen kann jedoch bisher
nur aus Erfahrungswerten in das Glühkerzensteuergerät implementiert
werden. Um die Resttemperatur der Glühkerze zu berücksichtigen,
ist dazu die Kenntnis der gesamten Historie notwendig, was nicht
flüchtige Speicher
und eine Zeitbasis erfordert, falls Daten vor einer Rücksetzung
miteinbezogen werden müssen.
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Die Messung der Glühkerzentemperatur über den
Glühkerzenwiderstand
scheidet als Möglichkeit
der Ermittlung der Glühkerzentemperatur
auf Grund der Toleranzen der Glühkerzen
im Bezug auf ihren Widerstandsverlauf wegen der real existierenden
Toleranzen und des unterschiedlichen Dynamikverhaltens aus. Eine
Kalibrierung der Glühkerzen
ist darüber
hinaus nicht denkbar, da es sich dabei um Großserienbauteile handelt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende
Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen die Aufheizung
der Glühkerzen
eines Dieselmotors unter Einbeziehung des thermischen Verhaltens
der Glühkerzen
ohne ein Messsignal zur Rückmeldung
der Temperatur der Glühkerzen
gesteuert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Ausbildung gelöst,
die in den Patentansprüchen
1 und 6 jeweils angegeben ist.
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Besonders bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemä ßen Vorrichtung
sind Gegenstand der Patentansprüche
2 bis 5 bzw. 7 bis 11.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich, die
thermische Situation der Glühkerzen
zu beurteilen, da ein physikalisches Modell der Glühkerzen
in das Steuergerät
implementiert ist. Dieses Modell, das beispielsweise in Form eines
Temperaturwiderstandselementes mit positivem oder negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten
ausgeführt
sein kann, das parallel zu den Glühkerzen mit einer Niederspannung
und einem geringen Strom aufgeheizt wird, lässt über seinen Widerstand einen
Rückschluss
auf die vorliegende Temperatur zu. Mittels weiterer elektronischer
Schaltungselemente kann dann das thermische Auf heiz- und Beharrungsverhalten
der Glühkerzen
in ihrer vollen Dynamik emuliert werden.
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Dadurch, dass das physikalische Modell
in die Glühkerzensteuerung
integriert ist, wird eine Unabhängigkeit
von Bordspannungseinbrüchen
am Fahrzeug erreicht, so dass der thermische Zustand der Glühkerzen
durch die Glühkerzensteuerung
auch nach einem vollständigen
Rücksetzen
der Ansteuerelektronik einfach und genau ermittelt werden kann. Dabei
wird der Temperaturbereich der Glühkerze (bis 1.100°C für Stahlglühkerzen,
bis 1.500°C
für Keramikglühkerzen)
vorzugsweise auf den Temperaturbereich der Elektronik (bis 125°C) projiziert.
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Das heißt im Einzelnen, dass ein thermisches
Modell der Glühkerzen
in das Glühsteuergerät dadurch
implementiert wird, dass eine Ansteuer- und Auswerteelektronik in
Verbindung mit einem Widerstandstemperaturelement oder einem Heizelement oder
einer Kombination aus beiden Elementen eingebaut wird. Die Rückmeldung
der Glühkerzentemperatur
aus dem physikalischen Modell ermöglicht dann eine darauf basierende
Steuerung oder Regelung der Glühkerzen.
Der Kern des physikalischen Modells besteht dabei aus einem physikalischen
Energiespeicher, dessen Energiegehalt zur Glühkerzentempera tur proportional
oder dazu umgekehrt proportional ist. Bei diesem physikalischen
Energiespeicher kann es sich beispielsweise um ein Heizelement mit
entsprechender thermischer Masse oder um einen Kondensator zur Speicherung
elektrischer Energie handeln.
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Gemäß der Erfindung erfolgt somit
eine physikalische Modellierung des thermischen Verhaltens der Glühkerzen,
wobei das entsprechende physikalische Modell in die Glühsteuerung
integriert ist. Das kann weiterhin die Abbildung des Motorbetriebszustandes
auf das physikalische Modell einschließen.
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Die Ansteuerung der Glühkerzen
aus jedem erdenklichen Betriebszustand heraus wird dadurch optimiert,
um kurzmögliche
Ansprechzeiten zur Erzielung der Solltemperatur zu erreichen.
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Bei Verwendung eines Korrekturmoduls
wird die Glühkerzentemperatur
indirekt durch einen geschlossenen Regelkreis geregelt, der aus
der Ansteuerelektronik zum Ansteuern der Glühkerzen, dem Korrekturmodul,
dem physikalischen Modell zurück
zur Ansteuerelektronik führt.
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Das physikalische Modell kann weiterhin
mit Messsignalen gekoppelt werden, die z. B. die Temperatur der
Umgebung oder zumindest im stationären Betrieb der Glühkerze wiedergeben.
Hierzu kann ein Temperatursensor im Glühsteuergerät vorgesehen sein oder kann
das Signal eines Temperatursensors des Motors über eine Schnittstelle ausgewertet
werden. Zur Ermittlung der Temperatur im stationären Betrieb der Glühkerze erfolgt
eine Widerstandsmessung und gegebenenfalls eine Mittelwertbildung über einige
oder alle eingebauten Glühkerzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
liefern einen verbesserten Wiederholstartschutz bei Schnellstartglühkerzen
und Niedervoltglühkerzen
und bieten die Möglichkeit
des Einsatzes als preemptiver Regler. Das heißt im Einzelnen, dass eine
bessere und ge nauere Erfassung der tatsächlichen Glühkerzentemperatur, eine Führung der
Glühkerzentemperatur über die
genauer und einfacher erfassbare Temperatur des physikalischen Modells
möglich
werden. Die Abbildung und damit Speicherung des Temperaturzustandes der
Glühkerzen
ist unabhängig
von der Spannungsversorgung der Elektronik möglich, so dass auch nach einem
vollständigen
Rücksetzen
der aktuelle Zustand der Glühkerzen
einfach und genau erfasst werden kann und die optimale Ansteuerung
gewählt werden
kann. Das physikalische Modell, das in die Steuerelektronik implementiert
wird, kann darüber
hinaus im Rahmen der Fertigung der Elektronik abgeglichen werden.
Gemäß der Erfindung
ist kein statischer, sondern ein dynamischer Speicher vorgesehen.
Somit ist die Nachbildung des Abkühlverhaltens auch ohne Betriebsspannung
möglich,
so dass eine optimale Steuerung des Aufheizvorganges der Glühkerzen
zur Erreichung der kurzmöglichsten
Bereitschaftszeit, d. h. Startfähigkeit
des Motors erreicht werden kann.
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Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen
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1 eine
Schnittansicht des Glühstabes
einer Glühkerze,
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2 eine
Teilschnittansicht einer Glühkerze
mit dem in 1 dargestellten
Glühstab
und
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3 das
schematische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den 1 und 2 ist eine übliche aus
Metall ausgeführte
Glühkerze
dargestellt, die einen veränderlichen
Widerstand aufweist, der in der Regel mit zunehmender Temperatur
zunimmt. Bei der beispielsweise in 2 dargestellten
Metallglühkerze 6 mit
innenliegender Wendelkombination 7 aus einem Heizelement
ohne nennenswertem Temperaturkoeffizienten, nämlich der Heizwendel 8,
und einem Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten, nämlich der
Regel- oder Messwendel 9, gibt es keine ausreichend schnelle
thermische Kopplung, so dass die Dynamik an der brennraumseitigen
Kerzenspitze nicht ohne weiteres aus der Änderung des Widerstandes ermittelt
werden kann, der besagter Dynamik nur relativ träge folgt. Weiterhin streuen
die Widerstände
aller Glühkerzen
aus der Serienfertigung stark und der Widerstandsverlauf korreliert
darüber hinaus
nur ungenügend
mit dem Temperaturverlauf. Ein Abgleich oder eine Sortierung aller
Glühkerzen
ist auf Grund der Mehrkosten undenkbar. Es können zwar zusätzliche
Temperatursensoren 10 vorgesehen sein, sie sind jedoch
mit hohen Kosten verbunden und haben über dies eine begrenzte Lebensdauer.
Der Erkennung und der Führung
des Aufheizverhaltens der Glühkerzen
sind somit enge Grenzen gesetzt, die zum Teil schon durch die Toleranz
realer Glühkerzen überdeckt
werden, so dass keine zusätzliche
Aussage über
die vorliegende Temperatur der Glühkerzen bei statistisch verteilten
Widerständen gemacht
werden kann.
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Eine direkte Rückkopplung über die aktuelle Temperatur
an der Heizstabspitze der Glühkerzen
ist für
den Serieneinsatz somit nicht möglich.
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Wie es in 3 dargestellt ist, wird bei einer Glühkerzensteuerung über eine
geeignete Schnittstelle von einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise
vom Motorsteuergerät 1 eines
Motors 14 eine Glühanforderung
an das Glühsteuergerät 2 gesendet,
die dort interpretiert wird, so dass die Glühkerzen 3 entsprechend
den Anforderungen bestromt werden.
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Wie es weiterhin in 3 dargestellt ist, ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung parallel zu den Glühkerzen
ein physikalisches Modell 4 der Glühkerzen im Glühsteuergerät vorgesehen,
das dazu dient, den thermischen Zustand der Glühkerzen 3 abzubilden.
Dieses physikalische Modell 4 ist so ausgebildet, dass
es zumindest bei stehendem Motor die Temperatur an der Heizstabspitze einer üblichen
Glühkerze
abbildet. Das gilt sowohl für die
Aufheizung als auch für
die Abkühlung
der Glühkerze.
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Das physikalische Modell 4 besteht
im Prinzip aus einem physikalischen Energiespeicher, dessen Energiegehalt
zur Glühkerzentemperatur
proportional oder umgekehrt proportional ist. Dieser physikalische
Energiespeicher kann beispielsweise ein Kondensator sein, dessen
Ladezustand proportional zur Temperatur ist. Als Maß für den thermischen
Zustand der Glühkerze
kann auch der Widerstand eines entsprechend dimensionierten Widerstandstemperaturelementes
mit positivem oder negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten
innerhalb des physikalischen Modells dienen.
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Das physikalische Modell 4 kann
aber auch vollständig
in Form einer computergespeicherten Software, z. B. als abgespeichertes
Kennfeld ausgebildet sein.
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Wie es in 3 weiterhin dargestellt ist, wird der
Zustand des physikalischen Modells 4 ausgewertet und wird
daraus eine Eingangsgröße 5 gebildet, die
an der Glühkerzensteuerung 12 liegt,
die die Glühkerzen 3 über eine
Ansteuerung 15, z. B. in Form von Leistungsschaltern ansteuert.
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Die oben beschriebene Vorrichtung
arbeitet in der folgenden Weise:
Sobald über die Schnittstelle von einem übergeordneten
Steuergerät,
beispielsweise dem Motorsteuergerät 1 eine Glühanforderung
an das Glühsteuergerät 2 gesendet
wird, werden die Glühkerzen 3 und
parallel dazu das physikalische Modell 4 in der Glühkerzensteuerung
angesteuert. Der Zustand des Modells 4 wird ermittelt und
analysiert und liegt als Eingangsgröße 5 an der Glühkerzensteuerung 12 als
Rückmeldung
der Glühkerzentemperatur,
so dass die Glühkerzensteuerung 2 den
thermischen Zustand der Glühkerzen
bei der Ansteuerung der Glühkerzen berücksichtigen
kann.
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Das in die Glühsteuerung 2 implementierte physikalische
Modell 4 kann die Dynamik sehr genau erfassen, so dass
eine genaue Information über
die tatsächlich
an den Glühkerzen 3 vorliegende
Temperatur gegeben ist, was weitreichende Mög lichkeiten zur Erfassung und
Führung
der Temperatur der Glühkerzen 3 eröffnet.
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Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann die
Temperatur des physikalischen Modells 4 mit einer weiteren
Temperatur verglichen werden, die an einer Stelle erfasst wird,
die die Umgebungstemperatur gut wiederspiegelt. Hierbei kann es
sich um eine Messstelle 11 am Metallstanzgitter, das keinen
großen
Strom erfährt,
beispielsweise die Kommunikationsschnittstelle handeln.
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Es ist weiterhin von Vorteil, dass
auf Grund der Tatsache, dass das physikalische Modell 4 in
die Glühsteuerung 2 implementiert
ist, während
der Fertigung der Glühsteuerung 2 problemlos
das Modell oder die integrierten elektronischen Bauelemente abgeglichen
werden können,
wodurch eine weitere Steigerung der Genauigkeit erreicht wird. Die
Auswertung des Widerstandes der Glühkerzen 3 über die Messung
des Stromes ist zwar ungenügend,
um die Temperatur, insbesondere in dynamischen Phasen zu messen,
in hinreichend stationären
Phasen kann der Widerstand der Glühkerzen mit den Werten des physikalischen
Modells 4 jedoch verglichen werden, was zur weiteren Steigerung
der Genauigkeit bzw. zur Überprüfung der
Plausibilität
dienen kann. Eine entsprechende Funktionalität der Steuerung 2 zum gezielten
Abgleich zwischen dem Glühkerzenwiderstand
und dem Ausgangssignal des physikalischen Modells 4 kann
durch eine entsprechende Software und Speicher in der Ansteuerelektronik 12 implementiert
werden.
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Der Zustand des physikalischen Modells 4 wird
somit durch eine geeignete Elektronik ausgewertet und als Signal
zur Verarbeitung für
die Ansteuerelektronik 12 zur Verfügung gestellt.
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Da das physikalische Modell 4,
wie erwähnt, parallel
zu den Glühkerzen 3 betrieben
wird, d. h. einen äquivalenten
bzw. proportionalen Energieeintrag erfährt, bildet es das Aufheizverhalten
der Glühkerzen 3 nach.
Diese Nachbildung sollte so angelegt sein, dass das Auf heiz- und
Abkühlverhal ten
zumindest bei stehendem Motor nachgebildet wird. Das physikalische
Modell 4 in der Glühsteuerung 2 erfährt aber
nicht den Energiezu- bzw. abfluss wie eine Glühkerze im Brennraum durch die
Verbrennungsenergie bzw. die zusätzliche
Abkühlung
beispielsweise im Schubbetrieb. Damit das physikalische Modell 4 seinen
Zweck erfüllt
und die Temperatur der Glühkerzen 3 so
gut wie möglich
nachbildet, kann neben der Parallelansteuerung des physikalischen
Modells 4 gleichzeitig der zusätzliche positive oder negative Energieeintrag
durch äußere Einflüsse, die
vom Standardfall abweichen, mathematisch zuaddiert werden. Dazu
ist vorzugsweise ein Korrekturmodul 13 vorgesehen, das
zwischen dem physikalischen Modell 4 und der Ansteuerelektronik 12 liegt
und den aktuellen Motorzustand, beispielsweise die Drehzahl, das
Drehmoment, die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Temperatur usw.,
berücksichtigt
und die Ansteuerung des physikalischen Modells 4 dementsprechend so
modifiziert, dass die vom Modell ausgegebene Referenzglühkerzentemperatur
mit der tatsächlichen Glühkerzentemperatur
gut übereinstimmt.
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Hierzu kann im einfachsten Fall die
Ansteuerung des physikalischen Modells 4 mit einem Festwert
begrenzt werden. Es ist bekannt, dass Glühkerzen während des Motorbetriebs zumindest
bei Dieselmotoren mit direkter Einspritzung außer in Randbereichen niedriger
Drehzahl und sehr hoher Last ein gegenüber den Verhältnissen
bei stehendem Motor höheren
Energiebedarf haben, um die Solltemperatur der Glühkerzen
zu halten. Es ist dazu üblich,
die Ansteuerelektronik 12 so auszubilden, dass die Energiezufuhr
zu den Glühkerzen
so geregelt wird, dass die Glühkerzentemperatur
unabhängig
von den Motorbetriebsbedingungen gehalten wird. Dadurch kann bei
laufendem Motor und damit in der Regel höherem Energiefluss an die Glühkerzen
als bei stehendem Motor davon ausgegangen werden, dass die Glühkerzen
genau die Solltemperatur haben. Das Korrekturmodul 13 kann
für diese
einfach zu detektierenden Fälle
das physikalische Modell 4 auf einen der Solltem peratur
entsprechenden Zustand zwingen.
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Wenn eine noch genauere Abbildung
der tatsächlichen
Glühkerzentemperatur
durch das physikalische Modell 4 gefordert wird oder bei
Motoren mit indirekter Einspritzung oder anderen Motoren, bei denen
die oben erwähnte
einfache Begrenzung des Modells durch einen Festwert nicht ausreicht,
kann der zusätzliche
positive oder negative Energieeintrag zunächst messtechnisch erfasst
und in Korrelation mit dem Motorsteuergerät 1 oder der Glühsteuerung 2 verfügbaren Parametern,
wie z. B. der eingespritzten Kraftstoffmenge, der Drehzahl, dem
inneren Moment, der Luft-, Motor-, Wasser- oder Öltemperatur gesetzt werden.
Auf Grund der dann erhaltenen Daten wird ein Algorithmus oder ein
mathematisches Modell erstellt und in das Korrekturmodul 13 integriert,
so dass dieses das Ansteuersignal parallel zur Glühkerzenbestromung
dergestalt modifiziert, dass das physikalische Modell 4 der
tatsächlichen
Temperatur an der Glühkerze
folgt. Auf diese Weise kann zusätzlich
vorteilhaft die Temperatur der Glühkerzen geregelt werden, indem
durch die Erfassung der Temperatur des physikalischen Modells 4 ein
geschlossener Regelkreis entsteht. Damit lassen sich Überbeanspruchungen,
Fehlansteuerungen usw. vermeiden. Eine beispielsweise vom Motorsteuergerät 1 an
die Glühsteuerung 2 gesendete
Solltemperatur kann dann relativ einfach umgesetzt und überwacht
werden, wobei die Erreichung dieser Temperatur wieder an das Motorsteuergerät 1 rückgekoppelt werden
kann. Durch diese Regelung werden weitere Möglichkeiten eröffnet, die
Glühkerzen 3 noch schneller
als bisher auf die Solltemperatur zu bringen, da derzeit wegen der
fehlenden Rückkopplung der
resultierenden Temperatur an der Glühkerze 3 nur geringere
Aufheizgeschwindigkeiten möglich sind.