DE3608602A1 - Verfahren zum ansteuern von gluehkerzen bei dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Glühkerzen, insbesondere Schnellstart-Glühkerzen, beim Kaltstart von Mehrzylinder-Dieselmotoren mittels Impulsbreiten- Modulation, wobei jedem Zylinder zumindest eine Glühkerze zugeordnet ist.

Dieselmotoren benötigen beim Kaltstart eine Vorwärmung der Verbrennungsräume durch Glühkerzen. Um eine schnelle Startbereitschaft zu erzielen, soll möglichst rasch eine genügend hohe Temperatur erreicht werden. Entsprechend ausgeführte Glühkerzen, sogenannte Schnellstart-Glühkerzen, müssen oder sollen zumindest zur Verlängerung ihrer Lebensdauer nach dem Erreichen der gewünschten Endtemperatur so zurückgeregelt werden, daß keine schädliche Überhitzung auftritt. Wegen des hohen Stromes und der Wärmeträgheit des Glühkörpers eignet sich dafür eine Impulsbreiten- Modulation, wobei die Periodendauer auch verhältnismäßig lang sein kann (Größenordnung 1 s). Das Tastverhältnis (Ein-/Aus-Verhältnis) läßt sich verschiedenen äußeren Bedingungen (z. B. Kühlwasser- oder Umgebungstemperatur) anpassen und kann auch zeitlich gesteuert werden.

Als steuerbare Schalter werden im allgemeinen elektromechanische Relais verwendet, die aber nur mit einer niedrigen Taktfrequenz betrieben werden können. Dabei werden alle im Motor vorhandenen Glühkerzen gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet, so daß ein hoher Strom plötzlich der Batterie entnommen oder unterbrochen wird. Bei den üblichen Arbeitsfrequenzen eines elektromechanischen Relais ergibt sich dadurch ein sichtbares Flackern von Lichtquellen (z. B. Innenraumbeleuchtung), was physiologisch unangenehm ist. Ferner können weitere unerwünschte Nebeneffekte, wie z. B. elektromagnetische Störungen, auftreten. Diese elektromagnetischen Störungen können beim Einsatz eines bereits in Erwägung gezogenen Halbleiterschalters auftreten, da sich damit die Taktfrequenz zwar wesentlich erhöhen läßt, aber andererseits wegen der Umschaltverluste mit verhältnismäßig steilen Flanken geschaltet werden muß, so daß man einen hohen Oberwellenanteil erhält.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die geschilderten Schwierigkeiten nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Glühkerzen versetzt angesteuert werden.

In vorteilhafter Weise wird bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jede Glühkerze über einen Transistor oder über ein Relais geschaltet.

Besonders günstig ist es, die Glühkerzen in Serie mit der Drain-Source-Strecke eines Leistungs-MOS-FETs zwischen Minus- und Pluspol einer Batterie der Spannung U _B anzuordnen und die Gates der Leistungs-MOS-FETs mit der gewünschten Modulation zu beaufschlagen. Zur Ansteuerung der Leistungs-MOS-FETs wird bevorzugt ein Mikroprozessor verwendet.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 die phasenmäßig versetzte Ansteuerung bei einem Sechs-Zylinder-Dieselmotor,

Fig. 2 eine weiteres Ausführungsbeispiel einer phasenmäßig versetzten Ansteuerung,

Fig. 3 einen schematischen Abregelungsvorgang und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Glühkerzenansteuerung.

Anhand der Fig. 1, in der die Ansteuerung der sechs Glühkerzen in einem Sechs-Zylinder-Dieselmotor dargestellt ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht. Die einzelnen Glühkerzen werden mit einer Periodendauer von T = 120 ms getaktet, was einer Frequenz von 8,33 . . . Hz entspricht. Die Phasenverschiebung bei der Ansteuerung zwischen den einzelnen Zweigen beträgt demnach bei sechs angesteuerten Glühkerzen 120 ms/6, also Tg = 20 ms, d. h. die das Bordnetz belastende Frequenz beträgt 1 : 20 ms, also fg = 50 Hz.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ist jede Glühkerze 110 ms ein- und anschließend 10 ms ausgeschaltet. Es ergibt sich somit ein Tastverhältnis von 11 : 1, und durch jede Glühkerze fließt ein Effektivsstrom I _eff von ca. 92% des maximal möglichen Stromes I _g .

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, das wiederum eine phasenmäßig versetzte Ansteuerung der Glühkerzen eines Sechs-Zylinder-Motors betrifft, beträgt das Tastverhältnis 8,5 : 3,5, d. h. einer Einschaltdauer von 85 ms steht eine Ausschaltdauer von 35 ms gegenüber. In diesem Fall ergibt sich ein Effektivstrom I _eff von ca. 70%.

In der Fig. 3 ist schematisch ein Abregelungsvorgang dargestellt, bei dem der Effektivwert des Stromes I _eff von 100 auf 0% von I _max herabgeregelt wird.

Den Ausführungsbeispielen ist das Wesentliche des Gegenstandes gemäß der Erfindung zu entnehmen, daß nämlich nie ein großer Stromhub auftritt und daß die dem Mittelwert überlagerte Welligkeit um den Faktor n (n = Anzahl der Glühkerzen) höherfrequenter ist als sie es bei einer Parallelansteuerung sein würde. Bei n-Glühkerzen beträgt deshalb der bei einem gewissen Widerstand der Kerzen (u. a. abhängig von der augenblicklichen Temperatur der Heizkörper) auftretende Stromhub nur den n-ten Teil des Gesamtstromes, wobei der Effektivwert durch das Tastverhältnis bestimmt wird.

Aus den angeführten Gründen kann also die Grundfrequenz sehr tief gewählt werden, ohne daß es zu einem sichtbaren Lichtflackern kommt. Dadurch kann man wiederum eine gewisse Anstiegs- sowie Abfallszeit einbauen, ohne die effektiven Umschaltverluste wesentlich zu erhöhen. Wegen dieser Abflachung der Flanken der Stromimpulse und des kleinen Stromhubes sind letztendlich die Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Störungen beim Takten wesentlich vermindert.

In der Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Glühkerzen G dargestellt. Jeder Glühkerze G des Dieselmotors ist ein separater Schalttransistor LT, vorzugsweise ein Leistungs-MOS-FET, zugeordnet. Durch diese Anordnung ist neben den erwähnten Vorteilen auch die Ableitung und Verteilung der Verlustwärme leichter. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird als Schalttransistor LT ein N-Kanal-Leistungs-MOS-FET verwendet, wobei die Glühkerze G in Serie zu der Drain-Source-Strecke zwischen Masse und Source geschaltet ist. Der Drain-Anschluß des Schalttransistors LT ist mit dem Pluspol der Batterie U _B verbunden. Das Gate des Transistors LT wird über zwei Widerstände R 1, R 2 mit der getakteten Ansteuerung der Periodendauer T beaufschlagt. Diese Ansteuerung geschieht vorteilhafterweise durch einen Mikroprozessor. Ferner ist von einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R 1 und R 2 ein Kondensator C gegen Masse geschaltet.

Die als Leistungsschalter verwendeten Leistungs-MOS-FETs LT weisen bei entsprechender Dimensionierung im durchgeschalteten Zustand nur einen verhältnismäßig kleinen Spannungsabfall auf, wobei die Abflachung der Flanken durch die im Ausführungsbeispiel dargestellte Schaltungsanordnung realisiert wird. Mit den in der Fig. 4 dargestellten Bauelementen ergibt sich eine Stromanstiegs- sowie -abfallszeit von ca. 1 ms.

Neben dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich die Ansteuerung auch mit einem P-Kanal-Leistungs-MOS-FET bewerkstelligen.

Ferner läßt sich das Phasenverschiebungsprinzip ebenfalls mit elektromechanischen Relais verwirklichen. Da man jetzt trotz niedriger Taktfrequenz eine genügend hochfrequente Stromwelligkeit mit kleiner Amplitude erhält, ergeben sich fast alle früher beschriebenen Vorteile. Nur hinsichtlich der Flankenabflachung sind gewisse Abstriche zu machen, da sich dies durch Relais praktisch kaum realisieren läßt. Statt dem früher verwendeten einen Leistungsrelais sind jetzt allerdings entsprechend leistungsschwächere und daher auch billigere Relais möglich.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ansteuern von Glühkerzen, insbesondere Schnellstart-Glühkerzen, beim Kaltstart von Mehrzylinder-Dieselmotoren mittels Impulsbreiten-Modulation, wobei jedem Zylinder zumindest eine Glühkerze zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Glühkerzen (G) phasenmäßig versetzt angesteuert werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Glühkerze (G) über einen Transistor (LT) oder über ein Relais geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkerzen (G) in Serie zu der Drain-Source-Strecke eines Leistungs-MOS-FETs (LT) zwischen Minus- und Pluspol einer Batterie der Spannung U _B angeordnet sind und daß die Gates der Leistungs- MOS-FETs (LT) mit der gewünschten Modulation beaufschlagt werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Leistungs-MOS-FETs (LT) ein Mikroprozessor verwendet wird.