EP0315934A1 - Verfahren zur Temperaturregelung von Glühkerzen bei Dieselmotoren und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Temperaturregelung von Glühkerzen bei Dieselmotoren und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0315934A1
EP0315934A1 EP88118527A EP88118527A EP0315934A1 EP 0315934 A1 EP0315934 A1 EP 0315934A1 EP 88118527 A EP88118527 A EP 88118527A EP 88118527 A EP88118527 A EP 88118527A EP 0315934 A1 EP0315934 A1 EP 0315934A1
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EP
European Patent Office
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glow plug
temperature
glow
switching device
circuit arrangement
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EP88118527A
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EP0315934B1 (de
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Helmut Dipl.-Ing. Rabl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/025—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs with means for determining glow plug temperature or glow plug resistance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/021—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs characterised by power delivery controls
    • F02P19/022—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs characterised by power delivery controls using intermittent current supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a method for temperature control of glow plugs in diesel engines according to the preamble of claim 1.
  • Self-regulating glow plugs with PTC thermistor characteristics are known, which have the advantage that they are not destroyed even during prolonged operation. However, these self-regulating glow plugs heat up too slowly for a quick start.
  • the diesel engine can be started quickly when using glow plugs with a particularly low-resistance cold resistor. These quick start glow plugs quickly reach the desired temperature, but must be reduced after reaching this temperature in order to avoid burning out.
  • This readjustment can be done either by temporarily connecting a series resistor to the glow plug or by pulse width modulation, as is described, for example, in DE-OS 36 08 602.
  • the variable for the temperature in these known methods is the current flowing through the glow plug pulled, which decreases with increasing temperature and thus increasing resistance of the glow plug.
  • the temperature in the combustion chamber can be determined by measuring the current, for example using a shunt resistor. Difficulties arise with this current measurement and the combustion chamber temperature determined therefrom, especially when the glow plugs of the diesel engine are operated in parallel.
  • the internal resistance of such glow plugs is in the order of a few hundred mOhm. Connecting these glow plugs in parallel leads to an even lower overall resistance.
  • the line resistances of the supply lines and, for example, contact resistances are then particularly noticeable. If a glow plug is burned out, the measurement result regarding the temperature would also be falsified. It is therefore not possible to reliably determine the temperature of the combustion chamber of diesel engines with a current measurement.
  • Our invention has for its object to develop a method for reliable temperature control of glow plugs in diesel engines, the preheating phase should be as short as possible.
  • a circuit arrangement for carrying out the method according to the invention is the subject of claim 7.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the resistance of a glow plug changes when the radiator is heated.
  • the ohmic resistance of a glow plug is therefore dependent on the respective temperature of the heating element of the glow plug.
  • the characteristic temperature dependence of the resistance of a glow plug can be measured and can be plotted, for example, in a resistance-temperature diagram. Such a contradiction If the temperature-temperature diagram for a glow plug is determined, the corresponding glow plug temperature can be inferred for each resistance value that occurs.
  • the characteristic temperature dependence of the ohmic resistance can therefore be assumed to be known for each glow plug and can be used as a variable for regulating the glow plug.
  • the glow plug is driven with pulse-width-modulated signals during cold starting. First of all, the switch-off pauses are chosen to be short compared to the switch-on times, ie the time at which the current flows through the glow plug. This ensures that the glow plug reaches a high temperature quickly enough.
  • a measure of the ohmic resistance of at least one glow plug is determined. This measurement result allows conclusions to be drawn about the instantaneous temperature of the glow plug.
  • the temperature of the glow plug's radiator remains approximately constant due to its thermal inertia.
  • the physical variable representing the value of the ohmic resistance of the glow plug is compared with a predetermined target value that would be set at a predetermined operating temperature.
  • a control process is initiated which varies the switch-off pauses and switch-on times for controlling the glow plugs in such a way that the resulting difference between the setpoint and the measurement result is minimized.
  • This can e.g. in that the mean value of the absolute value of the difference between the target value and the measurement result is minimized.
  • a resistance bridge circuit for detecting the above-mentioned variable.
  • This resistance bridge circuit can be switched to a voltage source, which can be, for example, the battery voltage, via an auxiliary switching device.
  • a branch of this resistance bridge circuit is connected to the glow plug.
  • the resistance bridge circuit is activated by switching off the auxiliary switching device.
  • a voltage forms between the output terminals of the resistance bridge circuit depending on the ohmic resistance of the glow plug and thus the temperature of the glow plug heater. If all elements of the resistance bridge are known with the exception of the resistance of the glow plug, the resulting voltage difference at the output of the resistance bridge circuit is a direct measure of the temperature of the glow plug.
  • FIG. 1 of a circuit arrangement has a switching device 2 with a glow plug 1 connected in series.
  • a voltage source U B is connected to this series connection in such a way that the housing connection 5 of the glow plug 1 is connected to the ground pole of the voltage source U B.
  • the contact electrode 6 of the glow plug 1 is connected to the switching device 2.
  • a resistance bridge circuit 4 is additionally provided, an ohmic resistor R1, R2, R3 and R4 being connected in each of the four bridge branches.
  • Resistor R4 is the ohmic resistance of glow plug 1. According to FIG. 1, resistors R1 and R2 connected in series are parallel to the series connection of the resistors de R3 and R4 switched.
  • the connection point of the resistors R1 and R3 is connected via an auxiliary switching device 5 to a voltage source, which can be, for example, the voltage U B.
  • the resistor R2 has one connection to the reference potential.
  • the voltages u ref and u GK dropping across the resistor R2 and the glow plug 1 are fed to a control device 10.
  • the difference or the ratio of the voltages u GK and u ref is a measure of the ohmic resistance R4 of the glow plug 1.
  • the switching device 2 is opened and the auxiliary switching device 5 is closed.
  • the ohmic resistance R4 of the glow plug 1 then results from the voltages u GK and u ref as follows:
  • the output 31, 32 of the control device 10 is provided for controlling the switching device 2 and the auxiliary switching device 5.
  • the control device 10 contains means for specifically switching the switching device 2 and the auxiliary switching device 5 on and off. The control is carried out by pulse-width-modulated signals, the clock ratios of which depend on the ohmic resistance of the glow plug 1.
  • the resistor R4 is to be selected so that the measuring current i m across the resistor R4 and thus the glow plug 1 results in a voltage drop of, for example, a few volts that can be evaluated in the entire temperature range.
  • the resistor R3 is hardly used since the measuring current i m only has to flow for a short time, ie its effective value is correspondingly small.
  • a possible circuit arrangement according to FIG. 1 is shown in detail in FIG. 2, the already known reference numerals continue to be used for the individual switching elements.
  • a microprocessor 20 is expediently provided to control the switching device 2, which is implemented here by a field effect transistor.
  • U B denotes the battery voltage, which can be, for example, 12 V, and U G is an auxiliary voltage that is greater than the battery voltage U B.
  • the positive pole of the battery voltage U B is connected to the drain connection of the field effect transistor 2, the source connection of which is connected to the contact electrode 6 of the glow plug 1.
  • the housing connection 5 of the glow plug 1 is at ground potential.
  • the resistance bridge circuit 4 formed from the resistors R1, R2, R3 and the ohmic resistor R4 of the glow plug 1 is connected to the positive pole of the battery voltage U B via the auxiliary switching device 5, which is also implemented here by a field effect transistor.
  • the contact electrode 6 of the glow plug 1 is connected via a resistor 11 to an input terminal 23 of the microprocessor 20.
  • a Zender diode 16 is connected between this input terminal 23 and ground potential.
  • the resistor 11 is a protective element for the Zener diode 16, which limits the voltage occurring at the input terminal 23 when the switching device 2 is closed and thus current flows to the glow plug 1.
  • the connection point of the resistors R1 and R2 is connected to the input terminal 21 of the microprocessor 20.
  • a cooling water temperature sensor 17 is connected, via which a correction variable for the control process is determined at the time of switching on.
  • the correction quantity is obtained in this exemplary embodiment in that the cooling water temperature sensor 17 is a temperature-dependent resistor and is connected in series with a resistor 44.
  • This voltage divider, consisting of the resistor 44 and the cooling water temperature sensor 17 is connected to a voltage source, so that the voltage drop across the cooling water temperature sensor 17 is a measure of the cooling water temperature of the engine.
  • the microprocessor 20 expediently contains an A / D converter, which occurs at the input terminals 23, 21 and 22 Voltages processed in digital signals.
  • the output terminals 31 and 32 of the microprocessor 20 are each connected via a resistor 13 or 12 to the base terminals of a transistor 18 or 19 connected in an emitter circuit.
  • the collector connection of the transistor 18 is connected on the one hand via a resistor 15 to the auxiliary voltage U G and on the other hand to the gate connection of the field effect transistor of the switching device 2.
  • the collector terminal of the transistor 19 is connected to the gate terminal of the field effect transistor of the auxiliary switching device 5 and via a resistor 14 to the auxiliary voltage U G , the transistors 18 and 19 are low-power NPN bipolar transistors, the resistors 14, 15 high-resistance gate series resistors and the resistors 12 and 13 the base resistors for transistors 18 and 19.
  • the voltage divider R2 / (R1 + R2) is to be dimensioned such that, at the highest voltage U B to be expected, the voltage u ref does not exceed the maximum voltage that can be detected by the A / D converter of the microprocessor 20.
  • a pulse-width-modulated signal U 1 appears periodically at the output terminal 31 of the microprocessor 20, as can be seen, for example, in FIG. 3 above.
  • T the period of, for example, 100 msec
  • the signal U 1 is at the output terminal 31 only for the period t of z. B. 1 msec to logic 1, ie that only during this time t the field effect transistor of the switching device 2 blocks.
  • the effective current flowing through the glow plug 1 in this example of the duty cycle is approximately 99% of the maximum possible current. This ensures that the glow plug 1 heats up quickly.
  • the signal U2 appearing at the output terminal 32 is inverted to U1.
  • the voltages u GK and u ref occurring at the input terminals 23 and 21 of the microprocessor 20 when the field effect transistor of the switching device 2 is blocking are a measure of the temperature of the glow plug 1.
  • the desired temperature should now be exceeded. However, this is only recognized during the subsequent switch-off pause, here eg t2.
  • the field effect transistor of the switching device 2 blocks for at least one period T.
  • the glow plug 1 cools down and has fallen below the desired temperature again, for example at time t 3. This is only recognized during the next measuring cycle, i.e. at time t4.
  • the temperature thus oscillates around the desired temperature, the amplitudes being smaller the shorter the period T is chosen.
  • the circuit arrangement presented in FIG. 2 is to be expanded n times by the resistors 11, 13 and 15, the zener diode 16, the transistor 18 and the field effect transistor of the switching device.
  • the control is then advantageously out of phase, the field-effect transistor of the respective auxiliary switching device 5 having to be brought into its conductive state n times during a period.
  • the resistances can scatter from several glow plugs, e.g. B. ⁇ 20%, and the initial value of the control is not exactly defined, it is advantageous to determine this value separately for each glow plug to be controlled and then to refer to this value. This ensures that the glow plug to glow plug, for. B. due to manufacturing tolerances, deviating resistance values at a given temperature are taken into account and contribute to proper temperature control of the glow plug.
  • the cold resistance of the glow plug i.e. the basic value for the control, is determined at the start of the heating process. For this purpose, a voltage must also be measured, which is a measure of the instantaneous cooling water temperature of the diesel engine.
  • the microprocessor 20 can be informed via a further input terminal 33 whether, for example, the terminal 15 in motor vehicles which is under voltage while the engine is running is still active or not. Depending on this value, software can be used to count the time if the microprocessor 20 is supplied with voltage during this time period.
  • auxiliary switching device 5 is to be dimensioned such that the current i m can be absorbed for a short time and only a small voltage drop occurs.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Temperaturregelung von Glühkerzen bei Dieselmotoren vorgestellt. Bei diesem Verfahren wird die Tat­sache ausgenützt, daß sich der ohmsche Widerstand einer Glühker­ze mit der Temperatur ändert. Der Stromfluß zur Glühkerze wird bei diesem Verfahren durch Impulsbreitenmodulation periodisch ein- und ausgeschaltet. Während der Abschaltpausen wird eine den ohmschen Widerstand der Glühkerze repräsentierende physika­lische Größe ermittelt. Nachdem dieses Meßergebnis einen vorge­gebenen Sollwert überschritten hat, wird ein Regelungsvorgang eingeleitet, der die Temperatur der Glühkerze so einstellt, daß eine vorgegebene Betriebstemperatur eingehalten wird. Es wird zusätzlich eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah­rens vorgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung von Glühkerzen in Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist allgemein bekannt, daß Dieselmotoren zum Kaltstarten einer Vorheizung der Verbrennungsräume durch Glühkerzen bedür­fen. Diese Glühkerzen sollen nach dem Betätigen des Zündschlüs­sels und dem damit verbundenen Anschließen der Glühkerzen an die Batterie möglichst schnell die Verbrennungsräume auf eine genügend hohe Temperatur, z.B. 800 bis 900°C, aufheizen. Damit wird eine schnelle Startbereitschaft des Dieselmotors gewähr­leistet. Bei längerem Betrieb dürfen diese Glühkerzen aber nicht wegen Überhitzung durchbrennen.
  • Es sind selbstregelnde Glühkerzen mit Kaltleitercharakteristik bekannt, die zwar den Vorteil haben, daß sie auch bei längerem Betrieb nicht zerstört werden. Diese selbstregelnden Glühkerzen heizen sich jedoch für ein schnelles Starten zu langsam auf.
  • Eine schnelle Startbereitschaft des Dieselmotors kann bei Ver­wendung von Glühkerzen mit einem besonders niederohmigen Kalt­widerstand erreicht werden. Diese Schnellstart-Glühkerzen erreichen zwar schnell die gewünschte Temperatur, müssen aber nach dem Erreichen dieser Temperatur zurückgeregelt werden, um ein Durchbrennen zu vermeiden.
  • Dieses Zurückregeln kann entweder durch zeitweises Zuschalten eines Vorwiderstandes zur Glühkerze oder durch Impulsbreitenmo­dulation, wie dies z.B. in der DE-OS 36 08 602 beschrieben ist, geschehen. Als Größe für die Temperatur wird bei diesen bekann­ten Verfahren der durch die Glühkerze fließende Strom herange­ zogen, der mit zunehmender Temperatur und damit auch zunehmenden Widerstand der Glühkerze abnimmt. Bei gegebener Spannung kann durch eine Strommessung, z.B. mit Hilfe eines Shunt-Widerstan­des, auf die Temperatur im Brennraum rückgeschlossen werden. Bei dieser Strommessung und der daraus ermittelten Temperatur des Brennraumes treten jedoch Schwierigkeiten auf, vor allem dann, wenn die Glühkerzen des Dieselmotors parallel betrieben werden. Der Innenwiderstand solcher Glühkerzen bewegt sich nämlich in der Größenordnung von wenigen hundert mOhm. Ein Parallelschalten dieser Glühkerzen führt zu einem noch geringeren Gesamtwiderstand. Es machen sich dann insbesondere die Leitungswiderstände der Zu­leitungen und z.B. Kontaktwiderstände störend bemerkbar. Wenn eine Glühkerze durchgebrannt ist, würde sich auch das Meßergeb­nis hinsichtlich der Temperatur verfälschen. Ein zuverlässiges Ermitteln der Temperatur des Brennraumes von Dieselmotoren ist somit mit einer Strommessung nicht möglich.
  • Unserer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zuverlässigen Temperaturregelung von Glühkerzen bei Dieselmoto­ren zu entwickeln, wobei die Vorheizphase möglichst kurz sein soll.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­spruchs 1 gelöst.
  • Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 7.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß sich der Widerstand einer Glühkerze bei Erwärmung des Heiz­körpers ändert. Der ohmsche Widerstand einer Glühkerze ist da­mit abhängig von der jeweiligen Temperatur des Heizkörpers der Glühkerze. Die charakteristische Temperaturabhängigkeit des Wi­derstandes einer Glühkerze ist meßbar und z.B. in einem Wider­stands-Temperatur-Diagramm auftragbar. Wird ein solches Wider­ stands-Temperatur-Diagramm für eine Glühkerze ermittelt, so kann für jeden auftretenden Widerstandswert auf die entsprechen­de Glühkerzentemperatur rückgeschlossen werden. Die charakte­ristische Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstands kann somit für jede Glühkerze als bekannt vorausgesetzt und als Größe für die Regelung der Glühkerze herangezogen werden. Erfindungs­gemäß wird die Glühkerze beim Kaltstarten mit impulsbreitenmodu­lierten Signalen angesteuert. Zunächst sind die Abschaltpausen im Vergleich zu den Einschaltzeiten, d.h. zu der Zeit, zu der der Strom durch die Glühkerze fließt, kurz gewählt. Damit ist gewährleistet, daß die Glühkerze genügend schnell eine hohe Temperatur erreicht.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird während der Abschaltpau­sen, d.h. bei Unterbrechung des Stromflusses zur Glühkerze, ein Maß für den ohmschen Widerstand mindestens einer Glühkerze er­mittelt. Durch dieses Meßergebnis kann auf die augenblickliche Temperatur der Glühkerze rückgeschlossen werden. Während der kur­zen Abschaltpausen bleibt die Temperatur des Heizkörpers der Glühkerze wegen ihrer Wärmeträgheit in etwa konstant. Die den Wert des ohmschen Widerstandes der Glühkerze repräsentierende physikalische Größe wird mit einem vorgegebenen Sollwert, der sich bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur einstellen wür­de, verglichen. Abhängig von der sich ergebenden Differenz aus Sollwert und ermitteltem Maß für den ohmschen Widerstandswert der Glühkerze wird ein Regelvorgang eingeleitet, der die Abschalt­pausen und Einschaltzeiten zum Ansteuern der Glühkerzen so va­riiert, daß die sich ergebende Differenz aus Sollwert und Meßer­gebnis minimiert wird. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß der Mittelwert des Absolutbetrages der Differenz aus Sollwert und Meßergebnis minimiert wird.
  • Gemäß einer Ausbildung der Erfindung ist es vorgesehen, zum Erfassen der obengenannten Größe eine Widerstandsbrückenschal­tung vorzusehen. Diese Widerstandsbrückenschaltung ist über eine Hilfsschalteinrichtung an eine Spannungsquelle, die z.B. die Bat­teriespannung sein kann, schaltbar. Ein Zweig dieser Widerstands­brückenschaltung ist mit der Glühkerze beschaltet. Während der Abschaltpausen wird die Widerstandsbrückenschaltung durch Schließen der Hilfsschalteinrichtung aktiviert. Zwischen den Ausgangsklemmen der Widerstandsbrückenschaltung bildet sich in Abhängigkeit vom ohmschen Widerstand der Glühkerze und damit der Temperatur des Glühkerzenheizkörpers eine Spannung. Sind al­le Elemente der Widerstandsbrücke mit Ausnahme des Widerstandes der Glühkerze bekannt, so ist die sich ergebende Spannungsdiffe­renz am Ausgang der Widerstandsbrückenschaltung ein direktes Maß für die Temperatur der Glühkerze.
  • Ein besonderer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor allem darin, daß auch eine Fehlerdiagnose möglich ist. So ist es möglich, sowohl eine Unterbrechung als auch eine Über­last im Laststromkreis festzustellen. Ist eine Glühkerze durch Unterbrechung ausgefallen oder kurzgeschlossen, so bleibt der Motor trotzdem betriebsbereit. Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen mit Figuren näher erläu­tert. Es zeigen:
    • FIG 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durch­führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • FIG2 eine Schaltungsanordnung nach FIG 1, und
    • FIG 3 ein Impulsdiagramm zum Ansteuern der Glühkerze nach FIG 1 bzw. FIG 2.
  • Das in FIG 1 dargestellte Blockschaltbild einer erfindungsge­mäßen Schaltungsanordnung weist eine Schalteinrichtung 2 mit in Reihe geschalteter Glühkerze 1 auf. An diese Reihenschaltung ist eine Spannungsquelle UB so angeschlossen, daß der Gehüse­anschluß 5 der Glühkerze 1 mit dem Massepol der Spannungsquel­le UB verbunden ist. Die Kontaktelektrode 6 der Glühkerze 1 ist an die Schalteinrichtung 2 angeschlossen. Es ist zusätzlich eine Widerstandsbrückenschaltung 4 vorgesehen, wobei in jedem der vier Brückenzweige ein ohmscher Widerstand R1, R2, R3 und R4 geschaltet ist. Der Widerstand R4 ist der ohmsche Widerstand der Glühkerze 1. Nach FIG 1 sind die in Reihe geschalteten Wi­derstände R1 und R2 parallel zur Reihenschaltung der Widerstän­ de R3 und R4 geschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R3 ist über eine Hilfsschalteinrichtung 5 an eine Span­nungsquelle geschaltet, die z.B. die Spannung UB sein kann. Der Widerstand R2 ist mit seinem einen Anschluß an das Bezugspoten­tial gelegt. Die am Widerstand R2 und der Glühkerze 1 abfallen­den Spannungen uref und uGK werden einer Regelungseinrichtung 10 zugeführt. Die Differenz bzw. das Verhältnis der Spannungen uGK und uref ist ein Maß für den ohmschen Widerstand R4 der Glüh­kerze 1. Zum Ermitteln des ohmschen Widerstandes R4 der Glühker­ze 1 wird die Schalteinrichtung 2 geöffnet und die Hilfsschalt­einrichtung 5 geschlossen. Der ohmsche Widerstand R4 der Glüh­kerze 1 ergibt sich dann aus den Spannungen uGK und uref wie folgt:
    Figure imgb0001
     Der Ausgang 31, 32 der Regelungseinrichtung 10 ist zur Steue­rung der Schalteinrichtung 2 und der Hilfsschalteinrichtung 5 vorgesehen. Die Regelungseinrichtung 10 enthält Mittel, die Schalteinrichtung 2 und die Hilfsschalteinrichtung 5 gezielt ein- und auszuschalten. Das Ansteuern erfolgt dabei durch im­pulsbreitenmodulierte Signale, deren Taktverhältnisse vom ohmschen Widerstand der Glühkerze 1 abhängig sind.
  • Der Widerstand R4 ist so zu wählen, daß der Meßstrom im am Wi­derstand R4 und damit der Glühkerze 1 im gesamten Temperaturbe­reich einen gut auswertbaren Spannungsabfall von z.B. einigen Volt ergibt. Leistungsmäßig wird der Widerstand R3 kaum bean­sprucht, da der Meßstrom im nur kurzzeitig fließen muß, d.h. sein Effektivwert entsprechend klein ist.
  • In FIG 2 ist eine mögliche Schaltungsanordnung gemäß FIG 1 im einzelnen dargestellt, wobei die bereits bekannten Bezugszeichen für die einzelnen Schaltelemente weiter verwendet werden. Zur Ansteuerung der Schalteinrichtung 2, die hier durch einen Feld­effekttransistor realisiert ist, ist zweckmäßigerweise ein Mikro­prozessor 20 vorgesehen. UB bezeichnet die Batteriespannung, die z.B. 12 V betragen kann, und UG ist eine Hilfsspannung, die größer als die Batteriespannung UB ist. Der positive Pol der Batteriespannung UB ist mit dem Drainanschluß des Feldeffekttran­sistors 2 verbunden, dessen Sourceanschluß an die Kontaktelek­trode 6 der Glühkerze 1 angeschlossen ist. Der Gehäuseanschluß 5 der Glühkerze 1 liegt auf Massepotential. Die aus den Wider­ständen R1, R2, R3 und dem ohmschen Widerstand R4 der Glühkerze 1 gebildete Widerstandsbrückenschaltung 4 ist über die Hilfs­schalteinrichtung 5, die hier auch durch einen Feldeffekttran­sistor realisiert ist, an den positiven Pol der Batteriespan­nung UB geschaltet. Die Kontaktelektrode 6 der Glühkerze 1 ist über einen Widerstand 11 mit einer Eingangsklemme 23 des Mikro­prozessors 20 verbunden. Zwischen dieser Eingangsklemme 23 und Massepotential ist eine Zenderdiode 16 geschaltet. Der Wider­stand 11 ist ein Schutzelement für die Zenerdiode 16, die die an der Eingangsklemme 23 auftretende Spannung begrenzt, wenn die Schalteinrichtung 2 geschlossen ist und damit zur Glühkerze 1 Strom fließt. Der Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 ist an die Eingangsklemme 21 des Mikroprozessors 20 geschaltet. An die Eingangsklemme 22 des Mikroprozessors 20 ist z. B. ein Kühlwassertemperatursensor 17 angeschlossen, über den zum Ein­schaltzeitpunkt eine Korrekturgröße für den Regelungsvorgang er­mittelt wird. Die Korrekturgröße wird in diesem Ausführungsbei­spiel dadurch gewonnen, daß der Kühlwassertemperatursensor 17 ein temperaturabhängiger Widerstand ist und in Serie zu einem Widerstand 44 geschaltet ist. Dieser Spannungsteiler, bestehend aus dem Widerstand 44 und dem Kühlwassertemperatursensor 17 ist an eine Spannungsquelle geschaltet, so daß der Spannungsabfall am Kühlwassertemperatursensor 17 ein Maß für die Kühlwasser­temperatur des Motors ist.
  • Der Mikroprozessor 20 enthält zweckmäßigerweise einen A/D-Wand­ler, der die an den Eingangsklemmen 23, 21 und 22 auftretenden Spannungen in digitale Signale verarbeitet. Die Ausgangsklemmen 31 und 32 des Mikroprozessors 20 sind jeweils über einen Wider­stand 13 bzw. 12 an die Basisklemmen eines in Emitterschaltung geschalteten Transistors 18 bzw. 19 angeschlossen. Der Kollek­toranschluß des Transistors 18 ist zum einen über einen Wider­stand 15 an die Hilfsspannung UG und zum anderen an den Gate­anschluß des Feldeffekttransistors der Schalteinrichtung 2 an­geschlossen. Der Kollektoranschluß des Transistors 19 ist mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors der Hilfsschaltein­richtung 5 und über einen Widerstand 14 mit der Hilfsspannung UG verbunden, die Transistoren 18 und 19 sind leistungsarme NPN-Bipolartransistoren, die Widerstände 14, 15 hochohmige Gate- ­Vorwiderstände und die Widerstände 12 und 13 die Basiswiderstän­de für die Transistoren 18 und 19.
  • Der Spannungsteiler R2/(R1 + R2) ist so zu dimensionieren, daß bei der höchsten zu erwartenden Spannung UB die Spannung uref die vom A/D-Wandler des Mikroprozessors 20 erfaßbare Maximalspan­nung nicht überschritten wird. Entsprechendes gilt für den Spannungsteiler aus dem Widerstand R3 und dem Widerstand R4 der Glühkerze 1.
  • Die Wirkungsweise der in FIG 2 dargestellten Schaltungsanord­nung stellt sich so dar: An der Ausgangsklemme 31 des Mikropro­zessors 20 erscheint periodisch ein impulsbreitenmoduliertes Signal U₁, wie es z.B. in FIG 3 oben zu sehen ist. Während der Periodendauer T von z.B. 100 msec befindet sich das Signal U₁ an der Ausgangsklemme 31 lediglich für die Zeitdauer t von z. B. 1 msec auf logisch 1, d.h., daß nur während dieser Zeit t der Feldeffekttransistor der Schalteinrichtung 2 sperrt. Der durch die Glühkerze 1 fließende Effektivstrom beträgt bei die­sem Beispiel des Tastverhältnisses ca. 99 % des maximal mögli­chen Stromes. Damit ist ein schnelles Aufheizen der Glühkerze 1 gewährleistet. Das an der Ausgangsklemme 32 erscheinende Sig­nal U₂ ist zu U₁ invertiert. Damit ist gewährleistet, daß bei leitendem Feldeffekttransistor der Schalteinrichtung 2 der Feld­ effekttransistor der Hilfsschalteinrichtung 5 sperrt. Die bei sperrendem Feldeffekttransistor der Schalteinrichtung 2 an den Eingangsklemmen 23 und 21 des Mikroprozessors 20 auftretenden Spannungen uGK und uref sind ein Maß für die Temperatur der Glüh­kerze 1. Zu einem bestimmten Zeitpunkt t₁ sei nun die gewnschte Temperatur überschritten. Dies wird aber erst bei der darauffol­genden Abschaltpause, hier z.B. t₂, erkannt. Sobald das Über­schreiten der gewünschten Temperatur erkannt wird, sperrt der Feldeffekttransistor der Schalteinrichtung 2 für mindestens eine Periode T. Die Glühkerze 1 kühlt ab und hat z.B. zum Zeitpunkt t₃ die gewnschte Temperatur wieder unterschritten. Dies wird erst beim nächsten Meßzyklus, also zum Zeitpunkt t₄ erkannt. Da­mit pendelt die Temperatur um die gewünschte Temperatur, wobei die Amplituden um so kleiner sind, je kürzer die Periodendauer T gewählt wird.
  • Soll die Temperaturreglung für n Glühkerzen durchgeführt werden, so ist die in FIG 2 vorgestellte Schaltungsanordnung um die Wi­derstände 11, 13 und 15, die Zenerdiode 16, den Transistor 18 und den Feldeffekttransistor der Schalteinrichtung 2 n-mal zu erweitern. Die Ansteuerung erfolgt dann vorteilhafterweise phasenverschoben, wobei der Feldeffekttransistor der jeweiligen Hilfsschalteinrichtung 5 während einer Periode n-mal in seinen leitenden Zustand gebracht werden muß.
  • Da bei einer bestimmten Temperatur die Widerstände von mehreren Glühkerzen streuen können, z. B. ± 20 %, und der Anfangswert der Regelung damit nicht genau definiert ist, ist es von Vor­teil, diesen Wert für jede zu regelnde Glühkerze getrennt fest­zustellen und sich dann auf diesen Wert zu beziehen. Damit ist gewährleistet, daß die von Glühkerze zu Glühkerze, z. B. durch Herstellungstoleranzen bedingte, abweichenden Widerstandswerte bei gegebener Temperatur berücksichtigt werden und zu einer ein­wandfreien Temperaturregelung der Glühkerze beitragen. Der Kalt­widerstand der Glühkerze, also der Grundwert für die Regelung, wird zu Beginn des Aufheizvorganges ermittelt. Dazu muß auch noch eine Spannung gemessen werden, die ein Maß für die augen­blickliche Kühlwassertemperatur des Dieselmotors ist. Man kann nämlich davon ausgehen, daß die Temperatur der Glühkerze nach längerem Stillstand von z. B. über 15 Minuten genau genug der Kühlwassertemperatur übereinstimmt. Der ohmsche Widerstand der Glühkerze bei genau dieser gemessenen Kühlwassertemperatur und die Kenntnis über den prozentualen Anstieg des ohmschen Wider­standes bei Temperaturänderung läßt eine eindeutige Regelung der Temperatur für die gerade eingesetzte Glühkerze zu. Um fest­stellen zu können, ob diese Stillstandzeit schon abgelaufen ist, kann man den Mikroprozessor 20 über eine weitere Eingangsklemme 33 mitteilen, ob z.B. die Klemme 15 bei Kraftfahrzeugen, die während des Motorlaufes unter Spannung steht, noch aktiv ist oder nicht. Abhängig von diesem Wert kann softwaremäßig eine Zeitzählung durchgeführt werden, wenn der Mikroprozessor 20 während dieser Zeitperiode mit Spannung versorgt wird.
  • Ist die Stillstandzeit von z. B. 15 min noch nicht abgelaufen, weil der Motor nach einem kürzeren Halt erneut gestartet werden soll, so wird die Regelung auf den Anfangswert der letzten Stillstandzeit bezogen.
  • Um eine möglichst schnelle und problemlose Aufheizung der Glüh­kerzen zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn als Schaltelemente Feldeffekttransistoren mit möglichst kleinem Innenwiderstand vorgesehen werden. Wo eine Kurzschlußfestigkeit gefordert wird, muß der Feldeffekttransistor einen entsprechenden Schutz auf­weisen. Die Hilfsschalteinrichtung 5 ist so zu bemessen, daß der Strom im kurzzeitig verkraftet werden kann und dabei nur ein kleiner Spannungsabfall auftritt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Temperaturregelung von Glühkerzen bei Diesel­motoren mit Mitteln zum Unterbrechen des Stromflusses zu min­destens einer Glühkerze und mit folgenden Merkmalen:
a) beim Kaltstarten des Dieselmotors wird der Stromfluß perio­disch ein- und ausgeschaltet;
gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
b) während der Abschaltpausen wird eine den ohmschen Widerstand repräsentierende physikalische Größe mindestens einer Glüh­kerze ermittelt;
c) diese Größe wird mit einem bei vorgegebener Betriebstempera­tur des Dieselmotors zu erreichendem Sollwert verglichen; und
d) nachdem die Größe diesen Sollwert erreicht hat, werden die Abschaltpausen und Einschaltzeiten so variiert, daß die sich ergebende Differenz aus Sollwert und Größe minimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß für jede Glühkerze des Dieselmotors eine Größe für deren ohmschen Widerstand ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß als Regelalgorithmus eine Zwei­punktregelung vorgesehen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkerzen synchron ein- und ausgeschaltet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkerzen phasenversetzt ein- und ausgeschaltet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere die Temperatur der Glühkerze repräsentierende Größe ermittelt wird, und daß zu Beginn der Temperaturregelung der ohmsche Widerstand der Glühkerze auf diese weitere Temperatur bezogen wird, und abhängig von diesem Anfangswert der Regelvorgang durchgeführt wird.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Merkmale:
a) mindestens eine Glühkerze (1), die über eine Schalteinrich­tung (2) mit einer Spannungsquelle (UB) verbunden ist;
b) die Schalteinrichtung (2) ist durch impulsbreitenmodulierte Signale ansteuerbar;
c) Mittel zum Erfassen der für den ohmschen Widerstandswert re­präsentierenden physikalischen Größe mindestens einer Glüh­kerze (1);
d) eine Regelungseinrichtung (10) stellt, abhängig von der ermit­telten Größe mindestens einer Glühkerze (1) das Tastverhält­nis des impulsbreitenmodulierten Signales zum Ansteuern der Schaltungseinrichtung (2) ein.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen der Größe für den ohmschen Widerstandswert einer Glühkerze eine über eine Hilfsschalteinrichtung (5) an eine Spannungsquelle schaltbare Widerstandsbrückenschaltung (4) aufweist, wobei in einem Zweig dieser Widerstandsbrückenschaltung (4) die Glühker­ze (1) geschaltet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Glühkerzen (1) vorgesehen sind, daß die Schalteinrichtung (2) aus mehreren Schaltern besteht, daß jeder Glühkerze (1) einer dieser Schalter in Reihe geschaltet ist, daß jede dieser Rei­henschaltungen bestehend aus Glühkerze (1) und Schalter an die Klemmen der Spannungsquelle (UB) geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalt­einrichtung (2) mindestens ein Relais vorgesehen ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalt­einrichtung (2) mindestens ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Rege­lungseinrichtung (10) ein Mikroprozessor (20) vorgesehen ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühl­wassertemperatursensor (17) zum Erfassen einer Korrektur­größe des Regelungsvorganges vorgesehen ist.
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