EP0809021B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Glühvorgangs einer Glühkerze eines Dieselmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Glühvorgangs einer Glühkerze eines Dieselmotors Download PDF

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EP0809021B1
EP0809021B1 EP97108081A EP97108081A EP0809021B1 EP 0809021 B1 EP0809021 B1 EP 0809021B1 EP 97108081 A EP97108081 A EP 97108081A EP 97108081 A EP97108081 A EP 97108081A EP 0809021 B1 EP0809021 B1 EP 0809021B1
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EP
European Patent Office
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glow plug
temperature
glow
heating
power
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP97108081A
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English (en)
French (fr)
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EP0809021A3 (de
EP0809021A2 (de
Inventor
Martin Schütz
Bruno Lindl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BorgWarner Ludwigsburg GmbH
AFL Europe GmbH
Original Assignee
Beru AG
Alcoa Fujikura GmbH
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Publication date
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Application filed by Beru AG, Alcoa Fujikura GmbH filed Critical Beru AG
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Publication of EP0809021A3 publication Critical patent/EP0809021A3/de
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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

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a Diesel engine by controlling a glow operation of a glow plug, at which of the glow plug initially during the heating phase until reaching a target temperature, an electric heating power is fed, whose Amount is higher than the continuous power of the glow plug in continuous operation without Damage can be supplied, the duration of the heating phase so is dimensioned that no damage to the glow plug takes place, and in which after the heating phase, the heating power of the glow plug maximum of Continuous power corresponds and is regulated by the fact that the temperature of Incandescent filament of the glow plug measured and compared with a setpoint temperature and the heating power is regulated.
  • EP 0 315 934 A1 discloses a method for controlling glow plugs Diesel engines, in which the flow of current to the glow plug through Pulse width modulation periodically off and on.
  • DE 693 04 586 discloses a method for operating a diesel engine, in which in a so-called preheating the filaments of the Glow plugs of all cylinders are supplied. Further, if necessary the start of the engine still provided a reheating by means of the candles.
  • US 4,444,160 also discloses a control for glow plugs of a Diesel engine, whereby the control also provides that before starting of the engine during a first heating period the glow plugs higher current is supplied, until a desired temperature is reached and then the heating power is reduced to the desired Keep temperature until the engine is safely started.
  • US 4,137,885 discloses a circuit for driving glow plugs, where two input variables generate a control time for the glow plugs will not damage the candles and too long a pre-heat time avoid.
  • US 5,144,922 discloses a circuit for driving glow plugs in Heating intervals, wherein between the heating intervals with a measuring current the Glow plug temperature is determined.
  • Object of the present invention is to provide a generic method create, with which diesel engines can be operated optimally.
  • the Glow plug is designed as a fast-heating rod glow plug, which of an electrical control unit can be heated up quickly such that at a given on-board voltage, they supply a certain current for a measured current Can absorb time so that they do not get a candle in no time can absorb harmful heating energy, where it is for applying the large current is advantageous, the rated voltage, i.
  • the for the Continuous operation of the candle suitable voltage to which these are connected can be, without causing damage to the glow plug, smaller than to choose the rated voltage of the ship, and that after reaching the limit for the Ignition necessary candle temperature the energy input advantageously by a clocked power supply up to her Rated continuous power is throttled until the engine is started or the Annealing process is interrupted.
  • the Glow plug control comprises a control unit, the heating power of Supply unit as a function of the temperature difference between the actually prevailing temperature of the filament and a predetermined set temperature controls.
  • an interrupter unit comprises for determining the temperature of the filament, the one of a Supply unit of the filament supplied heating power interrupts.
  • the temperature of the filament can in the inventive method be determined by the fact that the glow plug control an electrical Resistance of the filament determining and from the resistance value the Temperature of the filament calculating measuring unit comprises.
  • the Glow plug is first operated with a power that keeps it in continuous operation can not withstand, but with whom they would blow. This high However, heating power is supplied to her only over a period of time, the like It is estimated that there is no damage to the gradually warming Glow plug enters.
  • the glow plug is only so long with the high Heating power operated until it has reached its target temperature. The duration the heating phase is thus determined by the amount of heating power and can be fixed for each type of glow plug used be specified.
  • one regulates the heating power of the glow plug by repeating the Temperature of a filament of the glow plug determined with a Setpoint temperature compares, and the heating power to reach a Set temperature corresponding to one of the determined temperature difference Value sets.
  • the throttling of the heating power can be done in such a way that you can Amount of practically continuously supplied heating power reduced, or but by supplying the heating power of the glow plug clocked, i. in interrupts certain time intervals, the length of the interrupting Time intervals depending on the actual temperature of the Filament is adjusted.
  • the glow plug in the heating phase with a very high performance operates, so that the glow plug is heated very quickly and that one to another determines the temperature of the filament of the glow plug and so on can determine when the setpoint temperature has been reached. As soon as that happens is throttled, the power supplied to the glow plug and the glow plug is operated at the maximum with the performance of the glow plug in continuous operation can be supplied without damage.
  • All embodiments allow short energy provision times for Ignition of the fuel when starting diesel engines with glow plugs.
  • the Exhaust emissions and engine wear are reduced during cold start occurs an increase in comfort by shortening the preheating time.
  • the candle temperature stabilized by the process is by polling the temperature at the glow plug tip, so that at sinking temperature (low load operation of the engine) by supplying a calculated amount of electrical energy (intermediate annealing) the optimal Candle temperature is reached again, and this scheme during the total working time of the engine.
  • the device according to the invention additionally comprises an arithmetic unit which in Dependence on the temperature difference between the actual value and the Desired value of the temperature of the filament to reach the Target temperature required amount of energy calculated.
  • the glow plug is electrically connected to a Supply unit for providing an electric heating power for the Glow plug connected, wherein the heating power of the supply unit means the glow plug control is controllable.
  • the glow plug with electrical energy supplied wherein the glow plug can be configured in such an advantageous manner can be that the value of the electrical voltage with which they are in continuous operation can be operated without damage, the so-called rated voltage, is lower than the on-board voltage, which is present for example in the vehicle.
  • the nominal voltage of the candles a smaller Voltage is selected as the rated on-board voltage, preferably one Voltage equivalent to about half of the on-board voltage.
  • the computing unit of Glow plug control device is designed such that at start interruption and restart after a short time Time by checking the candle temperature for the first quick start heat pulse the amount of energy or the exposure time is recalculated and regulated
  • each annealing process in Operation of the engine is characterized in that in each case the current Temperature of the glow plug tip measured and for the achievement of the Set temperature necessary electrical energy with the help of the arithmetic unit is determined.
  • one in continuous operation of the glow plug thereby regulates the heating power of the glow plug, by repeatedly determining the temperature of the filament of the glow plug, compared with the set temperature and the heating power to reach the Set temperature corresponding to one of the determined temperature difference Value sets.
  • the adjustment of the heating power for Reaching the setpoint temperature take place in that the value of the heating power is reduced in continuous operation or that the heat output clocked is supplied and the length of the clock intervals of the temperature difference between the actual temperature, i. the actual temperature of the Filament, and the setpoint temperature corresponds.
  • the heating power of the glow plug is also regulated in continuous operation, that is it thereby possible, even during any operating conditions of the engine additionally to perform annealing operations. It is advantageous if you the amounts of energy reaching a given actual temperature the setpoint temperature of the glow plug must be supplied, calculated and then the heating power as long as the glow plug feeds until the Glow plug has received the predetermined amount of energy. Thereby Driving characteristics and exhaust emissions are improved and there is a Reduction of fuel consumption and a reduction in wear of the Motors due to the optimization of combustion.
  • the Heating power supply of the glow plug briefly interrupts.
  • the time until, after an interruption of the heating power supply Temperature equilibrium within the glow plug is dependent on each type of glow plug used.
  • the heating power supply for determining the temperature of Incandescent filament for about 50 to 60 msec interrupts. It turned out that in many cases within such a period of time Temperature equilibrium is achieved within the filament, so that one advantageously at the end of this period, the temperature of the filament determined and used to control the heating power.
  • FIG. 1 is a functional diagram in a schematic manner a plant for controlling the annealing process in particular at Quick start of diesel engines (diesel) with adjustable Glow plugs for preheating during startup shown.
  • the control unit 32 comprises a central control unit in the form of a Micro-controller control and power monitoring with Power output stages, to the terminals G1, G2, G3, G4, G5 and G6 are connected. Both the micro-controller control as well as the current monitoring are to the power supply the connection 29 connected.
  • the micro-controller control is also via a line 12 with the current monitoring and via a line 14 directly to the power output stages connected.
  • the micro-controller control connected via a line 16 to a terminal 31, to the the common ground (GND) is connected.
  • the micro-controller control to a not shown in the drawing Engine control or to an engine management is connectable.
  • To terminals G1 to G6 of the controller 32 glow plugs 20, 22, 24, 26, 28 and 30 are connected, which in addition with the common ground GND in Connection stand.
  • the structure of the micro-controller control results from the Block diagram of the controller 32 in Figure 2.
  • the micro-controller control comprises a power supply unit, a microprocessor and a driver and protection circuit.
  • the microprocessor and the driver and protection circuit are connected by the connected to the terminal 29 of the controller 32 Power unit with electrical energy provided.
  • the illustrated schematically in Figure 1 as a terminal DL Connection between micro-controller control and Motor control or engine management takes place via a data interface.
  • a data interface for example, a single-wire connection or a CAN bus.
  • each glow plug separate power output stage provided.
  • Figure 2 only four output stages and only two glow plugs 28, 30 shown, in fact, however, just as many power amplifiers as Glow plugs used.
  • the power amplifiers are each with the Driver and protection circuit of the micro-controller control in conjunction with a current measuring unit, which in turn to the driver and protection circuit and to the terminal 29th connected.
  • a separate power amplifier can also be provided, 2 or more Glow plugs in a parallel circuit summarize and a glow plug group formed in this way with one final stage connect.
  • the connecting lines between the power output stages and the glow plugs 20 to 30 serve on the one hand, the glow plugs to supply with electrical energy.
  • the determination of the individual takes place via these lines Resistors and thus the temperature of the glow plugs.
  • their power supply is temporarily interrupted, and instead, a test voltage is applied to the glow plugs applied and the current flowing through the filament of the current Current measuring unit measured.
  • the controller the power amplifiers by means of the driver and protection circuit, the in turn is coupled to the microprocessor. From the measured current can be at a known test voltage in the usual Way the electrical resistance of the filament determined which in turn is assigned a certain temperature value can be.
  • the thus determined actual temperature is with the Target temperature of the glow plug compared, and from the temperature difference is used by the microprocessor for reaching the desired temperature required heating power calculated, the then fed to the glow plugs via the output stages becomes.
  • the glow plugs By repeated brief interruption of the heating power supply the glow plugs and determination of the respective Actual temperature is possible, the glow plugs inside heat up in a short time and in a stabilized manner on one To maintain target temperature.
  • the heating power supply is each interrupted for the duration of about 55 ms, so that within the glow plug, a temperature equilibrium established.
  • the current measurement to determine the resistance and therefore the temperature of the glow plug is at the end the interruption interval, the measuring time about 20 microseconds is and with a current measuring range of up to 200 Amp a smallest measurable resolution of about 1 amp is achieved.
  • the control of the glow plugs by means of the above described controller 32 may be such that the supplied heating current of the respective temperature difference between actual and set temperature corresponds.
  • the result resulting temperature and Schustromverlauf is in Figure 3 shown.
  • the Indian respective power output stage associated glow plug is initially a high heating current I supplied, so that the Glow candle heats up considerably. With increasing actual temperature the heating current supply is reduced. This has to Result that the actual temperature of the set temperature of Gradually approaches the glow plug.
  • Control of the glow plugs is the amplitude of the heating current I according to the temperature difference between actual and Desired temperature of the glow plug is reduced.
  • FIG. 5 shows in one upper diagram the adjusting curve of the glow plug temperature T as a function of time t, which is results when the glow plug corresponding to that in a lower Diagram driven in the figure 5 shown control becomes.
  • the lower diagram shows the glow plug control, i.e. the course of the glow plug current, depending on the time t.
  • the heating phase and then holding the temperature are not on the starting process of the diesel engine or on a maximum glow plug temperature limited, but can also to the so-called intermediate annealing with the engine running and at a determined by the diesel engine control annealing temperature be applied.
  • the Schusterzussel regularly interrupted for a duration of about 55 ms and on A temperature determination at the end of the interruption interval be carried out as with reference to the Figures 3 and 4 has already been explained.
  • a corresponding Temperature determination can both during the heating 55 as well as during the hold phase 60. Does that have the the respective output stage assigned glow plug not yet theirs Target temperature reached, then the corresponding power amplifier via the driver and protection circuit of the microprocessor so controlled that the glow plug consistently a heating current supplied with maximum amplitude. After reaching the setpoint temperature, the heating current is only clocked, i.e.
  • the duration of the interruption times i.e. the ratio of on / off times
  • the power amplifiers can be used by the microprocessor by comparing the Actual temperature with the target temperature of the respective glow plug be calculated.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors durch Steuerung eines Glühvorgangs einer Glühkerze, bei welchem der Glühkerze zunächst während der Aufheizphase bis zum Erreichen einer Solltemperatur eine elektrische Aufheizleistung zuführt wird, deren Betrag höher ist als die Dauerleistung, die der Glühkerze im Dauerbetrieb ohne Schädigung zugeführt werden kann, wobei die Dauer der Aufheizphase so bemessen ist, daß keine Schädigung der Glühkerze erfolgt, und bei welchem nach Ablauf der Aufheizphase die Heizleistung der Glühkerze maximal der Dauerleistung entspricht und dadurch geregelt wird, daß die Temperatur der Glühwendel der Glühkerze gemessen und mit einer Solltemperatur verglichen und die Heizleistung geregelt wird.
Zur Zündung des Kraftstoffes beim Starten von Dieselmotoren (Selbstzünder) mittels Glühkerzen muß die Temperatur der Glühkerze in einer Aufheizphase auf eine Solltemperatur aufgeheizt werden, bei der der Kraftstoff zündet. Beim Starten des Dieselmotors muß somit eine gewisse Vorglühzeit abgewartet werden.
Aus der US 4,934,349 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors bekannt, wobei bei diesem Verfahren einerseits während der Aufheizphase bis zum Erreichen einer Solltemperatur eine elektrische Aufheizleistung zugeführt und anschließend die Heizleistung der Glühkerze geregelt wird, wobei dies unter Messung der Temperatur der Glühwendel der Glühkerze und Vergleich mit einer Solltemperatur sowie entsprechender Regelung der Heizleistung erfolgt.
Hierzu weist die US 4,934,349 zwei Kreise für die Zurverfügungstellung der Heizleistung auf, nämlich einen "Stable preheating circuit" und einen "quick preheating circuit" die beide entsprechend angesteuert werden.
Die EP 0 315 934 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung von Glühkerzen bei Dieselmotoren, bei welchem der Stromfluß zur Glühkerze durch Impulsbreitenmodulation periodisch aus- und eingeschaltet wird.
Währende 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.
Die DE 693 04 586 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, bei welchem in einer sogenannten Vorwärmperiode die Glühdrähte der Glühkerzen aller Zylinder versorgt werden. Ferner wird gegebenenfalls nach dem Start des Motors noch ein Nachwärmen mittels der Kerzen vorgesehen.
Die US 4,444,160 offenbart ebenfalls eine Steuerung für Glühkerzen eines Dieselmotors, wobei die Steuerung ebenfalls vorsieht, daß vor dem Starten des Motors während eines ersten Aufheizzeitraums den Glühkerzen ein höherer Strom zugeführt wird, so lange bis eine gewünschte Temperatur erreicht ist und nachher die Heizleistung reduziert wird, um die gewünschte Temperatur zu halten, bis der Motor sicher gestartet ist.
Die US 4,137,885 offenbart eine Schaltung zum Ansteuern von Glühkerzen, wobei aus zwei Eingangsgrößen eine Steuerzeit für die Glühkerzen generiert wird, um die Kerzen nicht zu beschädigen und eine zu lange Vorglühzeit zu vermeiden.
Die US 5,144,922 offenbart eine Schaltung zum Ansteuern von Glühkerzen in Heizintervallen, wobei zwischen den Heizintervallen mit einem Meßstrom die Glühkerzentemperatur ermittelt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, mit dem Dieselmotoren optimiert betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Glühkerzen schnell aufheizende Stabglühkerzen verwendet werden, daß von einer Glühkerzensteuerung die Temperatur der Glühwendel der Stabglühkerzen gemessen wird, daß die Temperatur der Glühkerzen umfassende Daten von Glühkerzenzuständen von der Glühkerzensteuerung einer Motorsteuerung übermittelt werden, daß die Solltemperatur von der Motorsteuerung der Glühkerzensteuerung vorgegeben wird, und daß von der Glühkerzensteuerung jede Glühkerze mit einer separaten Leistungsendstufe gesteuert wird.
Um einen vorteilhaften Schnellstart zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß die Glühkerze als schnell aufheizende Stabglühkerze ausgebildet ist, welche von einem elektrischen Steuergerät dergestalt schnell aufgeheizt werden kann, daß sie bei gegebener Bordspannung einen bestimmten Strom für eine bemessene Zeit aufnehmen kann, so daß sie in kürzester Zeit eine die Kerze nicht schädigende Aufheizenergie aufnehmen kann, wobei es zur Aufbringung des großen Stromes vorteilhaft ist, die Nennspannung, d.h. die für den Dauerbetrieb der Kerze geeignete Spannung, an die diese angeschlossen werden kann, ohne daß es zu einer Schädigung der Glühkerze kommt, kleiner als die Bordnennspannung zu wählen, und daß nach Erreichen der für den Zündvorgang notwendigen Kerzentemperatur die Energiezufuhr vorteilhafterweise durch eine getaktete Stromversorgung bis zu ihrer Nenndauerleistung gedrosselt wird, so lange bis der Motor gestartet oder der Glühvorgang unterbrochen wird.
Ferner ist vorgesehen, daß eine Datenübermittlung des Glühkerzenzustands, insbesondere der Temperatur der Glühkerze, zwischen einer Motorsteuerung bzw. einem Motormanagement des Dieselmotors und der Glühkerzensteuerung erfolgt.
Von Vorteil ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wenn die Temperatur der Glühwendel von der Glühkerzensteuerung bestimmbar ist und die Glühkerzensteuerung eine Regelungseinheit umfaßt, die die Heizleistung der Versorgungseinheit in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlich vorherrschenden Temperatur der Glühwendel und einer vorgegebenen Solltemperatur regelt.
Dabei ist es günstig, wenn die Glühkerzensteuerung eine Unterbrechereinheit umfaßt zur Bestimmung der Temperatur der Glühwendel, die die von einer Versorgungseinheit der Glühwendel zugeführte Heizleistung unterbricht.
Die Temperatur der Glühwendel kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch bestimmt werden, daß die Glühkerzensteuerung eine den elektrischen Widerstand der Glühwendel bestimmende und aus dem Widerstandswert die Temperatur der Glühwendel errechnende Meßeinheit umfaßt.
Es ist vorgesehen, daß die Glühkerze zunächst mit einer Leistung betrieben wird, der sie im Dauerbetrieb nicht standhalten kann, sondern bei der sie durchbrennen würde. Diese hohe Aufheizleistung wird ihr allerdings nur über eine Zeitspanne zugeführt, die so bemessen ist, daß noch keine Schädigung der sich allmählich erwärmenden Glühkerze eintritt. Die Glühkerze wird vielmehr nur so lange mit der hohen Aufheizleistung betrieben, bis sie ihre Solltemperatur erreicht hat. Die Dauer der Aufheizphase wird somit durch den Betrag der Aufheizleistung bestimmt und kann für jeden zur Verwendung kommenden Glühkerzentyp fest vorgegeben werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, daß man die Heizleistung der Glühkerze dadurch regelt, daß man wiederholt die Temperatur einer Glühwendel der Glühkerze bestimmt, mit einer Solltemperatur vergleicht, und die Heizleistung zum Erreichen einer Solltemperatur auf einen der ermittelten Temperaturdifferenz entsprechenden Wert einstellt.
Es wird die der Glühwendel zugeführte Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur der Glühwendel der Glühkerze geregelt. Dadurch ist es möglich, die Glühkerze zum Aufheizen mit einer sehr hohen Leistung zu betreiben, die dann bei Erreichen der Solltemperatur gedrosselt wird.
Die Drosselung der Heizleistung kann dabei derart erfolgen, daß man den Betrag der praktisch kontinuierlich zugeführten Heizleistung reduziert, oder aber indem man die Heizleistung der Glühkerze getaktet zuführt, d.h. in gewissen Zeitintervallen unterbricht, wobei die Länge der unterbrechenden Zeitintervalle in Abhängigkeit von der tatsächlichen Temperatur der Glühwendel eingestellt wird.
Es ist vorgesehen, daß man zum einen die Glühkerze in der Aufheizphase mit einer sehr hohen Leistung betreibt, so daß die Glühkerze sehr schnell erwärmt wird und daß man zum anderen die Temperatur der Glühwendel der Glühkerze ermittelt und so feststellen kann, wann die Solltemperatur erreicht wurde. Sobald dies der Fall ist, wird die der Glühkerze zugeführte Leistung gedrosselt und die Glühkerze wird maximal mit der Leistung betrieben, die der Glühkerze im Dauerbetrieb ohne Schädigung zugeführt werden kann.
Alle Ausführungsformen ermöglichen kurze Energiebereitstellungszeiten zur Zündung des Kraftstoffes beim Starten von Dieselmotoren mit Glühkerzen. Die Abgasemissionen und der Motorverschleiß werden beim Kaltstart verringert, es tritt eine Komfortsteigerung durch die Verkürzung der Vorglühzeit ein.
Von Vorteil ist es, wenn die Kerzentemperatur durch das Verfahren stabilisiert wird durch Abfrage der Temperatur an der Glühkerzenspitze, so daß bei sinkender Temperatur (Schwachlastbetrieb des Motors) durch Zufuhr einer errechneten elektrischen Energiemenge (Zwischenglühen) die optimale Kerzentemperatur wieder erreicht wird, und diese Regelung während der gesamten Arbeitszeit des Motors erfolgt. Bei einer derartigen Ausgestaltung umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich eine Recheneinheit, die in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Temperatur der Glühwendel die zum Erreichen der Solltemperatur erforderliche Energiemenge errechnet.
Bei einer Realisierung des Verfahrens ist die Glühkerze elektrisch mit einer Versorgungseinheit zur Bereitstellung einer elektrischen Heizleistung für die Glühkerze verbunden, wobei die Heizleistung der Versorgungseinheit mittels der Glühkerzensteuerung steuerbar ist.
Mit Hilfe der Versorgungseinheit wird die Glühkerze mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Glühkerze in vorteilhafter Weise derart ausgestaltet sein kann, daß der Wert der elektrischen Spannung, mit der sie im Dauerbetrieb ohne Schädigung betrieben werden kann, die sogenannte Nennspannung, geringer ist als die Bordspannung, die beispielsweise im Kraftfahrzeug vorliegt. Dadurch ist es möglich, die Glühkerze während der Aufheizphase mit Hilfe der Versorgungseinheit mit der für den Dauerbetrieb der Glühkerze zu hohen Bordspannung zu betreiben und nach Ablauf der Aufheizphase die Versorgungsspannung der Glühkerze mit Hilfe des Steuergeräts auf den für den Dauerbetrieb der Glühkerze geeigneten Wert zu reduzieren.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß als Nennspannung der Kerzen eine kleinere Spannung als die Bordnennspannung gewählt wird, vorzugsweise eine Spannung, die ungefähr der Hälfte der Bordspannung entspricht.
Günstig ist es, wenn die Recheneinheit der Glühkerzen-Steuer-Vorrichtung derart ausgestaltet ist, daß bei Startunterbrechung und Neustart nach kurzer Zeit durch Prüfen der Kerzentemperatur für den ersten Schnellstart-Heizimpuls die Energiemenge bzw. die Einwirkzeit neu berechnet und geregelt wird
Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß jeder Glühvorgang im Betrieb des Motors dadurch gekennzeichnet ist, daß jeweils die aktuelle Temperatur der Glühkerzenspitze gemessen und die für das Erreichen der Solltemperatur notwendige elektrische Energie mit Hilfe der Recheneinheit ermittelt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß man im Dauerbetrieb der Glühkerze die Heizleistung der Glühkerze dadurch regelt, daß man wiederholt die Temperatur der Glühwendel der Glühkerze bestimmt, mit der Solltemperatur vergleicht und die Heizleistung zum Erreichen der Solltemperatur auf einen der ermittelten Temperaturdifferenz entsprechenden Wert einstellt. Insbesondere kann die Einstellung der Heizleistung zum Erreichen der Solltemperatur dadurch erfolgen, daß der Wert der Heizleistung im Dauerbetrieb reduziert wird oder aber daß die Heizleistung getaktet zugeführt wird und die Länge der Taktintervalle der Temperaturdifferenz zwischen der Ist-Temperatur, d.h. der tatsächlichen Temperatur der Glühwendel, und der Solltemperatur entspricht.
Wird die Heizleistung der Glühkerze auch im Dauerbetrieb geregelt, so ist es dadurch möglich, auch während beliebiger Betriebszustände des Motors zusätzlich Glühvorgänge durchzuführen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn man die Energiemengen, die bei einer bestimmten Ist-Temperatur zur Erreichung der Solltemperatur der Glühkerze zugeführt werden müssen, errechnet und anschließend die Heizleistung so lange der Glühkerze zuführt, bis die Glühkerze die vorbestimmte Energiemenge aufgenommen hat. Dadurch werden Fahreigenschaften und Abgasemissionen verbessert, und es tritt eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine Verschleißverminderung des Motors aufgrund der Optimierung der Verbrennung ein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß man zur Bestimmung der Temperatur der Glühwendel die Heizleistungszufuhr der Glühkerze kurzzeitig unterbricht.
Günstig ist es, wenn man die Heizleistungszufuhr bis zum Erreichen eines Temperaturgleichgewichts innerhalb der Glühwendel unterbricht.
Die Zeitspanne, bis sich nach einer Unterbrechung der Heizleistungszufuhr ein Temperaturgleichgewicht innerhalb der Glühkerze einstellt, ist abhängig vom jeweils zum Einsatz kommenden Glühkerzentyp. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß man die Heizleistungszufuhr zur Bestimmung der Temperatur der Glühwendel für etwa 50 bis 60 msek unterbricht. Es hat sich herausgestellt, daß in vielen Fällen innerhalb einer derartigen Zeitspanne ein Temperaturgleichgewicht innerhalb der Glühwendel erzielt wird, so daß man vorteilhafterweise am Ende dieser Zeitspanne die Temperatur der Glühwendel bestimmt und zur Regelung der Heizleistung verwendet.
Günstig ist es, die Glühkerze derart auszugestalten, daß sie kurzzeitig die doppelte Nennspannung verkraften kann, ohne daß eine Schädigung der Glühkerze erfolgt.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.
Es zeigen:
Figur 1:
eine schematische Darstellung eines Steuergeräts zur Steuerung des Glühvorgangs der Glühkerzen eines Dieselmotors;
Figur 2:
ein Blockschaltbild des Steuergeräts aus Figur 1;
Figur 3:
den Verlauf der Glühkerzentemperatur und des zugeführten Heizstroms gemäß einer ersten Ausgestaltung der Ansteuerung der Glühkerze;
Figur 4:
eine vergrößerte Darstellung des Details A aus Figur 3 und
Figur 5:
den Verlauf der Glühkerzentemperatur und des zugeführten Heizstroms gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Ansteuerung der Glühkerze.
In Figur 1 ist als Funktionsschaubild in schematischer Weise eine Anlage zur Steuerung des Glühvorgangs insbesondere beim Schnellstart von Dieselmotoren (Selbstzünder) mit regelbaren Glühkerzen zum Vorglühen beim Startvorgang dargestellt. Diese umfaßt eine mit ihrer negativen Elektrode an Masse (GND) angeschlossene Batterie, deren positive Elektrode mit einem Anschluß 29 eines Steuergeräts 32 verbunden ist. Das Steuergerät 32 umfaßt eine zentrale Steuereinheit in Form einer Micro-Controller-Steuerung sowie eine Stromüberwachung mit Leistungsendstufen, an die Anschlüsse G1, G2, G3, G4, G5 und G6 angeschlossen sind. Sowohl die Micro-Controller-Steuerung als auch die Stromüberwachung sind zur Spannungsversorgung an den Anschluß 29 angeschlossen. Die Micro-Controller-Steuerung ist außerdem über eine Leitung 12 mit der Stromüberwachung und über eine Leitung 14 unmittelbar mit den Leistungsendstufen verbunden. Außerdem ist die Micro-Controller-Steuerung über eine Leitung 16 mit einem Anschluß 31 verbunden, an den die gemeinsame Masse (GND) angeschlossen ist. Außerdem ist ein weiterer Anschluß DL vorgesehen, über den die Micro-Controller-Steuerung an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Motorsteuerung oder an ein Motormanagement anschließbar ist. An die Anschlüsse G1 bis G6 des Steuergeräts 32 sind Glühkerzen 20, 22, 24, 26, 28 und 30 angeschlossen, die außerdem mit der gemeinsamen Masse GND in Verbindung stehen.
Der Aufbau der Micro-Controller-Steuerung ergibt sich aus dem Blockschaltbild des Steuergeräts 32 in Figur 2. Die Micro-Controller-Steuerung umfaßt eine Stromversorgungseinheit, einen Mikroprozessor sowie eine Treiber- und Schutzschaltung. Der Mikroprozessor und die Treiber- und Schutzschaltung werden von der an den Anschluß 29 des Steuergeräts 32 angeschlossenen Stromversorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgt. Die in Figur 1 schematisch als Anschluß DL dargestellte Verbindung zwischen Micro-Controller-Steuerung und Motorsteuerung oder Motormanagement erfolgt über ein Dateninterface. Hierbei kann beispielsweise eine Eindraht-Verbindung oder ein CAN-Bus verwendet werden.
Wie aus Figur 2 deutlich wird, ist für jede Glühkerze eine separate Leistungsendstufe vorgesehen. Um eine möglichst übersichtliche Darstellung zu erzielen, werden in Figur 2 nur vier Leistungsendstufen und nur zwei Glühkerzen 28, 30 dargestellt, tatsächlich werden jedoch ebenso viele Endstufen wie Glühkerzen eingesetzt. Die Endstufen stehen jeweils mit der Treiber- und Schutzschaltung der Micro-Controller-Steuerung in Verbindung sowie mit einer Strommeßeinheit, die ihrerseits an die Treiber- und Schutzschaltung sowie an den Anschluß 29 angeschlossen ist. Statt jeder Glühkerze eine separate Endstufe zuzuordnen, kann auch vorgesehen sein, 2 oder mehr Glühkerzen in einer Parallelschaltung zusammenzufassen und eine derart gebildete Glühkerzengruppe mit einer Endstufe zu verbinden.
Die Verbindungsleitungen zwischen den Leistungsendstufen und den Glühkerzen 20 bis 30 dienen zum einen dazu, die Glühkerzen mit elektrischer Energie zu versorgen. Zum anderen erfolgt über diese Leitungen die Bestimmung der einzelnen Widerstände und damit auch der Temperatur der Glühkerzen. Hierzu wird deren Energieversorgung kurzzeitig unterbrochen, und statt dessen wird an die Glühkerzen eine Prüfspannung angelegt und der durch die Glühwendel fließende Strom von der Strommeßeinheit gemessen. Dies erfolgt durch die Steuerung der Endstufen mittels der Treiber- und Schutzschaltung, die ihrerseits an den Mikroprozessor gekoppelt ist. Aus dem gemessenen Strom kann bei bekannter Prüfspannung in üblicher Weise der elektrische Widerstand der Glühwendel ermittelt werden, dem wiederum ein bestimmter Temperaturwert zugeordnet werden kann. Die derart bestimmte Ist-Temperatur wird mit der Soll-Temperatur der Glühkerze verglichen, und aus der Temperaturdifferenz wird vom Mikroprozessor die für das Erreichen der Soll-Temperatur erforderliche Heizleistung berechnet, die den Glühkerzen anschließend über die Endstufen zugeführt wird.
Durch wiederholte kurzzeitige Unterbrechung der Heizleistungszufuhr der Glühkerzen und Bestimmung der jeweiligen Ist-Temperatur ist es möglich, die Glühkerzen innerhalb kurzer Zeit aufzuheizen und in stabilisierter Weise auf einer Soll-Temperatur zu halten. Die Heizleistungszufuhr wird jeweils für die Dauer von etwa 55 ms unterbrochen, so daß sich innerhalb der Glühkerze ein Temperaturgleichgewicht einstellt. Die Strommessung zur Bestimmung des Widerstands und damit auch der Temperatur der Glühkerze erfolgt am Ende des Unterbrechungsintervalls, wobei die Meßzeit ca. 20 µs beträgt und bei einem Strommeßbereich von bis zu 200 Amp eine kleinste meßbare Auflösung von etwa 1 Amp erzielt wird.
Die Ansteuerung der Glühkerzen mittels des voranstehend beschriebenen Steuergeräts 32 kann dergestalt erfolgen, daß der zugeführte Heizstrom der jeweiligen Temperaturdifferenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur entspricht. Der sich daraus ergebende Temperatur- und Heizstromverlauf ist in Figur 3 dargestellt. Diese zeigt in einem oberen Diagramm den Verlauf der sich einstellenden Glühkerzentemperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei sich die Glühkerzentemperatur T aufgrund des der Glühkerze zugeführten Heizstromes I ändert, dessen Verlauf, ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit t, in Figur 3 in einem unteren Diagramm dargestellt ist. Der in der jeweiligen Leistungsendstufe zugeordneten Glühkerze wird zunächst ein hoher Heizstrom I zugeführt, so daß sich die Glühkerze beträchtlich aufheizt. Mit zunehmender Ist-Temperatur wird die Heizstromzufuhr reduziert. Dies hat zur Folge, daß sich die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur der Glühkerze allmählich annähert. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Bestimmung der Ist-Temperatur dadurch, daß die Heizleistungszufuhr, d.h. im vorliegenden Fall die Zufuhr des entsprechenden Heizstroms, kurzzeitig unterbrochen und der Widerstand der Glühwendel bestimmt wird. Die in regelmäßigen Abständen erfolgende Unterbrechung der Heizstromzufuhr ist vergrößert in Figur 4 dargestellt, die ebenfalls den Verlauf des Heizstroms I in Abhängigkeit von der Zeit t zeigt. Die Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in Figur 3 strichpunktiert gezeichneten Details A. Die Messung des Widerstands und damit auch der Glühkerzentemperatur erfolgt jeweils am Ende des Unterbrechungsintervalls und ist in Figur 4 durch die Pfeile 50 symbolisiert.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausgestaltung der Ansteuerung der Glühkerzen wird die Amplitude des Heizstroms I entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur der Glühkerze verringert. Eine alternative Ansteuerungsmöglichkeit der Glühkerzen mittels des Steuergeräts 32 ist aus Figur 5 ersichtlich. Figur 5 zeigt in einem oberen Diagramm den sich einstellenden Verlauf der Glühkerzentemperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t, der sich ergibt, wenn die Glühkerze entsprechend der in einem unteren Diagramm in der Figur 5 dargestellten Ansteuerung angesteuert wird. Das untere Diagramm zeigt die Glühkerzenansteuerung, d.h. den Verlauf des Glühkerzenstroms, in Abhängigkeit von der Zeit t. Wie ersichtlich, wird der der jeweiligen Endstufe zugeordneten Glühkerze während einer durch den Doppelpfeil 55 verdeutlichten Aufheizphase gleichbleibend ein Heizstrom mit maximaler Amplitude zugeführt, so daß sich die Glühkerze, wie aus dem oberen Diagramm der Figur 5 ersichtlich, sehr schnell aufheizt. Nach Erreichen der Soll-Temperatur wird die Temperatur der Glühkerze während der sich anschließenden Haltephase, die durch den Doppelpfeil 60 verdeutlicht ist, konstant gehalten. Hierzu wird die Glühkerze getaktet angesteuert, d.h. der Heizstrom wird regelmäßig unterbrochen, so daß der Glühkerze insgesamt über die Zeit integriert eine geringere Heizleistung zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Glühkerze während der Aufheizphase mit einer sehr hohen Heizleistung versorgt werden, der sie im Dauerbetrieb nicht standhalten würde, deren Zuführung jedoch eine sehr schnelle Aufheizung auf die Soll-Temperatur zur folge hat. Nach Erreichen der Soll-Temperatur wird die zugeführte Heizleistung auf einen Wert reduziert, der ausreichend ist, um die Temperatur der Glühkerze auf Soll-Temperatur zu halten, so daß eine Zerstörung der Glühkerze nicht zu befürchten ist.
Die Aufheizphase und das anschließende Halten der Temperatur sind nicht auf den Startvorgang des Dieselmotors oder auf eine maximale Glühkerzentemperatur beschränkt, sondern können auch zum sogenannten Zwischenglühen bei laufendem Motor und bei einer durch die Dieselmotorsteuerung ermittelten Glühtemperatur angewendet werden.
Um festzustellen, ob die Glühkerze bereits ihre Soll-Temperatur erreicht hat, kann auch bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform der Ansteuerung die Heizstromzufuhr regelmäßig für eine Dauer von ca. 55 ms unterbrochen und am Ende des Unterbrechungsintervalls eine Temperaturbestimmung durchgeführt werden, wie dies unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 bereits erläutert wurde. Eine entsprechende Temperaturbestimmung kann sowohl während der Aufheizphase 55 als auch während der Haltephase 60 erfolgen. Hat die der jeweiligen Endstufe zugeordnete Glühkerze noch nicht ihre Soll-Temperatur erreicht, so wird die entsprechende Endstufe über die Treiber- und Schutzschaltung vom Mikroprozessor derart angesteuert, daß der Glühkerze gleichbleibend ein Heizstrom mit maximaler Amplitude zugeführt wird. Nach Erreichen der Soll-Temperatur wird der Heizstrom nur noch getaktet, d.h. mit Unterbrechungen zugeführt, wie dies aus dem unteren Diagramm der Figur 5 deutlich wird. Die Dauer der Unterbrechungszeiten, d.h. das Verhältnis der Ein/Ausschaltzeiten der Endstufen kann vom Mikroprozessor durch Vergleich der Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur der jeweiligen Glühkerze errechnet werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors durch Steuerung eines Glühvorgangs einer Glühkerze, bei welchem der Glühkerze zunächst während der Aufheizphase bis zum Erreichen einer Solltemperatur eine elektrische Aufheizleistung zuführt wird, deren Betrag höher ist als die Dauerleistung, die der Glühkerze im Dauerbetrieb ohne Schädigung zugeführt werden kann, wobei die Dauer der Aufheizphase so bemessen ist, daß keine Schädigung der Glühkerze erfolgt, und bei welchem nach Ablauf der Aufheizphase die Heizleistung der Glühkerze maximal der Dauerleistung entspricht und dadurch geregelt wird, daß die Temperatur der Glühwendel der Glühkerze gemessen und mit einer Solltemperatur verglichen und die Heizleistung geregelt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Glühkerzen schnell aufheizende Stabglühkerzen verwendet werden, daß von einer Glühkerzensteuerung die Temperatur der Glühwendel der Stabglühkerzen gemessen wird, daß die Temperatur der Glühkerzen umfassende Daten von Glühkerzenzuständen von der Glühkerzensteuerung einer Motorsteuerung übermittelt werden, daß die Solltemperatur von der Motorsteuerung der Glühkerzensteuerung vorgegeben wird, und daß von der Glühkerzensteuerung jede Glühkerze mit einer separaten Leistungsendstufe gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung auf die Solltemperatur während der gesamten Arbeitszeit des Motors erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung der Kerzen kleiner als die Bordnennspannung gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung zur Erreichung der Nennleistung der Glühkerzen etwa die Hälfte der vorhandenen Bordnennspannung beträgt.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Startunterbrechung und Neustart nach kurzer Zeit durch Prüfen der der Temperatur der Glühkerzen die Energiemenge bzw. die Einwirkzeit für den ersten Schnellstart-Heizimpuls neu berechnet und geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Glühvorgang im Betrieb des Motors die aktuelle Temperatur der Glühkerzenspitze gemessen und die für das Erreichen der Solltemperatur notwendige elektrische Energie ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Dauerbetrieb der Glühkerze die Heizleistung der Glühkerze dadurch geregelt wird, daß die Temperatur der Glühwendel der Glühkerze bestimmt und durch Vergleich mit der Solltemperatur eine Temperaturdifferenz bestimmt wird und daß die Heizleistung zum Erreichen der Solltemperatur auf einen der ermittelten Temperaturdifferenz entsprechenden Wert eingestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der Glühkerzensteuerung zum Bestimmen der Temperatur der Glühwendel der Stabglühkerze die Zufuhr der Heizleistung kurzzeitig unterbrochen und dann die Temperatur gemessen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Heizleitung praktisch bis zum Erreichen eines Temperaturgleichgewichts innerhalb der Glühwendel unterbrochen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Heizleistung für etwa 50 bis 60 msek unterbrochen wird.
  11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Glühkerzen verwendet werden, die kurzzeitig die doppelte Nennspannung verkraften, ohne daß eine Schädigung der Kerzen eintritt.
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