Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors

Abstract

 Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors. Um bei der Steuerung der Bestromung der Glühkerzen (3) eines Dieselmotors das thermische Verhalten der Glühkerzen berücksichtigen zu können, wird über ein physikalisches Modell das thermische Verhalten der Glühkerzen (3) emuliert. Aus dem entsprechenden Ausgangssignal des Modells (4), das zur Glühkerzentemperatur proportional ist, wird ein Bezugssignal gebildet, das als Steuergröße an der den Heizstrom der Glühkerzen (3) steuernden Steuerelektronik (12) liegt, die dementsprechend die Aufheizung der Glühkerzen (3) unter Heranziehung der aus der Emulation ermittelten tatsächlichen Glühkerzentemperatur steuert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors.

[0002] Derartige Verfahren und Vorrichtungen dienen dazu, die Glühkerzen eines Dieselmotors auf eine Solltemperatur zu bringen, bei der der Motor gestartet werden kann.

[0003] Aus MTZ 10/2000 "Das elektronisch gesteuerte Glühsystem ISS für Dieselmotoren" ist ein Verfahren zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors bekannt, bei dem der Glühbefehl oder die Glühanforderung nach abgeschlossener Initialisierung der Motorsteuerung, nach erfolgter Bestimmung der Temperatur der Motorelemente über die Motorsteuerung und anschließendem erfolgreichen Aufbau einer Kommunikation zwischen der Motorsteuerung und dem Glühsteuergerät gegeben wird.

[0004] Zur Steuerung der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors ist es wichtig, den thermischen Zustand der Glühkerzen, insbesondere von Schnellstartglühkerzen, beispielsweise die Resttemperatur der Glühkerzen nach einer vorherigen Aufheizung beim Wiederholstart zu kennen und in die folgende Steuerung einzubeziehen. Der thermische Zustand der Glühkerzen kann jedoch bisher nur aus Erfahrungswerten in das Glühkerzensteuergerät implementiert werden. Um die Resttemperatur der Glühkerze zu berücksichtigen, ist dazu die Kenntnis der gesamten Historie notwendig, was nicht flüchtige Speicher und eine Zeitbasis erfordert, falls Daten vor einer Rücksetzung miteinbezogen werden müssen.

[0005] Die Messung der Glühkerzentemperatur über den Glühkerzenwiderstand scheidet als Möglichkeit der Ermittlung der Glühkerzentemperatur auf Grund der Toleranzen der Glühkerzen im Bezug auf ihren Widerstandsverlauf wegen der real existierenden Toleranzen und des unterschiedlichen Dynamikverhaltens aus. Eine Kalibrierung der Glühkerzen ist darüber hinaus nicht denkbar, da es sich dabei um Großserienbauteile handelt.

[0006] Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen die Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors unter Einbeziehung des thermischen Verhaltens der Glühkerzen ohne ein Messsignal zur Rückmeldung der Temperatur der Glühkerzen gesteuert werden kann.

[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die in den Patentansprüchen 1 und 6 jeweils angegeben ist.

[0008] Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 11.

[0009] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die thermische Situation der Glühkerzen zu beurteilen, da ein physikalisches Modell der Glühkerzen in das Steuergerät implementiert ist. Dieses Modell, das beispielsweise in Form eines Temperaturwiderstandselementes mit positivem oder negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten ausgeführt sein kann, das parallel zu den Glühkerzen mit einer Niederspannung und einem geringen Strom aufgeheizt wird, lässt über seinen Widerstand einen Rückschluss auf die vorliegende Temperatur zu. Mittels weiterer elektronischer Schaltungselemente kann dann das thermische Aufheiz- und Beharrungsverhalten der Glühkerzen in ihrer vollen Dynamik emuliert werden.

[0010] Dadurch, dass das physikalische Modell in die Glühkerzensteuerung integriert ist, wird eine Unabhängigkeit von Bordspannungseinbrüchen am Fahrzeug erreicht, so dass der thermische Zustand der Glühkerzen durch die Glühkerzensteuerung auch nach einem vollständigen Rücksetzen der Ansteuerelektronik einfach und genau ermittelt werden kann. Dabei wird der Temperaturbereich der Glühkerze (bis 1.100°C für Stahlglühkerzen, bis 1.500°C für Keramikglühkerzen) vorzugsweise auf den Temperaturbereich der Elektronik (bis 125°C) projiziert.

[0011] Das heißt im Einzelnen, dass ein thermisches Modell der Glühkerzen in das Glühsteuergerät dadurch implementiert wird, dass eine Ansteuer- und Auswerteelektronik in Verbindung mit einem Widerstandstemperaturelement oder einem Heizelement oder einer Kombination aus beiden Elementen eingebaut wird. Die Rückmeldung der Glühkerzentemperatur aus dem physikalischen Modell ermöglicht dann eine darauf basierende Steuerung oder Regelung der Glühkerzen. Der Kern des physikalischen Modells besteht dabei aus einem physikalischen Energiespeicher, dessen Energiegehalt zur Glühkerzentemperatur proportional oder dazu umgekehrt proportional ist. Bei diesem physikalischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um ein Heizelement mit entsprechender thermischer Masse oder um einen Kondensator zur Speicherung elektrischer Energie handeln.

[0012] Gemäß der Erfindung erfolgt somit eine physikalische Modellierung des thermischen Verhaltens der Glühkerzen, wobei das entsprechende physikalische Modell in die Glühsteuerung integriert ist. Das kann weiterhin die Abbildung des Motorbetriebszustandes auf das physikalische Modell einschließen.

[0013] Die Ansteuerung der Glühkerzen aus jedem erdenklichen Betriebszustand heraus wird dadurch optimiert, um kurzmögliche Ansprechzeiten zur Erzielung der Solltemperatur zu erreichen.

[0014] Bei Verwendung eines Korrekturmoduls wird die Glühkerzentemperatur indirekt durch einen geschlossenen Regelkreis geregelt, der aus der Ansteuerelektronik zum Ansteuern der Glühkerzen, dem Korrekturmodul, dem physikalischen Modell zurück zur Ansteuerelektronik führt.

[0015] Das physikalische Modell kann weiterhin mit Messsignalen gekoppelt werden, die z. B. die Temperatur der Umgebung oder zumindest im stationären Betrieb der Glühkerze wiedergeben. Hierzu kann ein Temperatursensor im Glühsteuergerät vorgesehen sein oder kann das Signal eines Temperatursensors des Motors über eine Schnittstelle ausgewertet werden. Zur Ermittlung der Temperatur im stationären Betrieb der Glühkerze erfolgt eine Widerstandsmessung und gegebenenfalls eine Mittelwertbildung über einige oder alle eingebauten Glühkerzen.

[0016] Die erf indungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren liefern einen verbesserten Wiederholstartschutz bei Schnellstartglühkerzen und Niedervoltglühkerzen und bieten die Möglichkeit des Einsatzes als preemptiver Regler. Das heißt im Einzelnen, dass eine bessere und genauere Erfassung der tatsächlichen Glühkerzentemperatur, eine Führung der Glühkerzentemperatur über die genauer und einfacher erfassbare Temperatur des physikalischen Modells möglich werden. Die Abbildung und damit Speicherung des Temperaturzustandes der Glühkerzen ist unabhängig von der Spannungsversorgung der Elektronik möglich, so dass auch nach einem vollständigen Rücksetzen der aktuelle Zustand der Glühkerzen einfach und genau erfasst werden kann und die optimale Ansteuerung gewählt werden kann. Das'physikalische Modell, das in die Steuerelektronik implementiert wird, kann darüber hinaus im Rahmen der Fertigung der Elektronik abgeglichen werden. Gemäß der Erfindung ist kein statischer, sondern ein dynamischer Speicher vorgesehen. Somit ist die Nachbildung des Abkühlverhaltens auch ohne Betriebsspannung möglich, so dass eine optimale Steuerung des Aufheizvorganges der Glühkerzen zur Erreichung der kurzmöglichsten Bereitschaftszeit, d. h. Startfähigkeit des Motors erreicht werden kann.

[0017] Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht des Glühstabes einer Glühkerze,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer Glühkerze mit dem in Fig. 1 dargestellten Glühstab und

Fig. 3 das schematische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0018] In den Fig. 1 und 2 ist eine übliche aus Metall ausgeführte Glühkerze dargestellt, die einen veränderlichen Widerstand aufweist, der in der Regel mit zunehmender Temperatur zunimmt. Bei der beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Metallglühkerze 6 mit innenliegender Wendelkombination 7 aus einem Heizelement ohne nennenswertem Temperaturkoeffizienten, nämlich der Heizwendel 8, und einem Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten, nämlich der Regel- oder Messwendel 9, gibt es keine ausreichend schnelle thermische Kopplung, so dass die Dynamik an der brennraumseitigen Kerzenspitze nicht ohne weiteres aus der Änderung des Widerstandes ermittelt werden kann, der besagter Dynamik nur relativ träge folgt. Weiterhin streuen die Widerstände aller Glühkerzen aus der Serienfertigung stark und der Widerstandsverlauf korreliert darüber hinaus nur ungenügend mit dem Temperaturverlauf. Ein Abgleich oder eine Sortierung aller Glühkerzen ist auf Grund der Mehrkosten undenkbar. Es können zwar zusätzliche Temperatursensoren 10 vorgesehen sein, sie sind jedoch mit hohen Kosten verbunden und haben über dies eine begrenzte Lebensdauer. Der Erkennung und der Führung des Aufheizverhaltens der Glühkerzen sind somit enge Grenzen gesetzt, die zum Teil schon durch die Toleranz realer Glühkerzen überdeckt werden, so dass keine zusätzliche Aussage über die vorliegende Temperatur der Glühkerzen bei statistisch verteilten Widerständen gemacht werden kann.

[0019] Eine direkte Rückkopplung über die aktuelle Temperatur an der Heizstabspitze der Glühkerzen ist für den Serieneinsatz somit nicht möglich.

[0020] Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wird bei einer Glühkerzensteuerung über eine geeignete Schnittstelle von einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise vom Motorsteuergerät 1 eines Motors 14 eine Glühanforderung an das Glühsteuergerät 2 gesendet, die dort interpretiert wird, so dass die Glühkerzen 3 entsprechend den Anforderungen bestromt werden.

[0021] Wie es weiterhin in Fig. 3 dargestellt ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung parallel zu den Glühkerzen ein physikalisches Modell 4 der Glühkerzen im Glühsteuergerät vorgesehen, das dazu dient, den thermischen Zustand der Glühkerzen 3 abzubilden. Dieses physikalische Modell 4 ist so ausgebildet, dass es zumindest bei stehendem Motor die Temperatur an der Heizstabspitze einer üblichen Glühkerze abbildet. Das gilt sowohl für die Aufheizung als auch für die Abkühlung der Glühkerze.

[0022] Das physikalische Modell 4 besteht im Prinzip aus einem physikalischen Energiespeicher, dessen Energiegehalt zur Glühkerzentemperatur proportional oder umgekehrt proportional ist. Dieser physikalische Energiespeicher kann beispielsweise ein Kondensator sein, dessen Ladezustand proportional zur Temperatur ist. Als Maß für den thermischen Zustand der Glühkerze kann auch der Widerstand eines entsprechend dimensionierten Widerstandstemperaturelementes mit positivem oder negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten innerhalb des physikalischen Modells dienen.

[0023] Das physikalische Modell 4 kann aber auch vollständig in Form einer computergespeicherten Software, z. B. als abgespeichertes Kennfeld ausgebildet sein.

[0024] Wie es in Fig. 3 weiterhin dargestellt ist, wird der Zustand des physikalischen Modells 4 ausgewertet und wird daraus eine Eingangsgröße 5 gebildet, die an der Glühkerzensteuerung 12 liegt, die die Glühkerzen 3 über eine Ansteuerung 15, z. B. in Form von Leistungsschaltern ansteuert.

[0025] Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise:

[0026] Sobald über die Schnittstelle von einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise dem Motorsteuergerät 1 eine Glühanforderung an das Glühsteuergerät 2 gesendet wird, werden die Glühkerzen 3 und parallel dazu das physikalische Modell 4 in der Glühkerzensteuerung angesteuert. Der Zustand des Modells 4 wird ermittelt und analysiert und liegt als Eingangsgröße 5 an der Glühkerzensteuerung 12 als Rückmeldung der Glühkerzentemperatur, so dass die Glühkerzensteuerung 2 den thermischen Zustand der Glühkerzen bei der Ansteuerung der Glühkerzen berücksichtigen kann.

[0027] Das in die Glühsteuerung 2 implementierte physikalische Modell 4 kann die Dynamik sehr genau erfassen, so dass eine genaue Information über die tatsächlich an den Glühkerzen 3 vorliegende Temperatur gegeben ist, was weitreichende Möglichkeiten zur Erfassung und Führung der Temperatur der Glühkerzen 3 eröffnet.

[0028] Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann die Temperatur des physikalischen Modells 4 mit einer weiteren Temperatur verglichen werden, die an einer Stelle erfasst wird, die die Umgebungstemperatur gut wiederspiegelt. Hierbei kann es sich um eine Messstelle 11 am Metallstanzgitter, das keinen großen Strom erfährt, beispielsweise die Kommunikationsschnittstelle handeln.

[0029] Es ist weiterhin von Vorteil, dass auf Grund der Tatsache, dass das physikalische Modell 4 in die Glühsteuerung 2 implementiert ist, während der Fertigung der Glühsteuerung 2 problemlos das Modell oder die integrierten elektronischen Bauelemente abgeglichen werden können, wodurch eine weitere Steigerung der Genauigkeit erreicht wird. Die Auswertung des Widerstandes der Glühkerzen 3 über die Messung des Stromes ist zwar ungenügend, um die Temperatur, insbesondere in dynamischen Phasen zu messen, in hinreichend stationären Phasen kann der Widerstand der Glühkerzen mit den Werten des physikalischen Modells 4 jedoch verglichen werden, was zur weiteren Steigerung der Genauigkeit bzw. zur Überprüfung der Plausibilität dienen kann. Eine entsprechende Funktionalität der Steuerung 2 zum gezielten Abgleich zwischen dem Glühkerzenwiderstand und dem Ausgangssignal des physikalischen Modells 4 kann durch eine entsprechende Software und Speicher in der Ansteuerelektronik 12 implementiert werden.

[0030] Der Zustand des physikalischen Modells 4 wird somit durch eine geeignete Elektronik ausgewertet und als Signal zur Verarbeitung für die Ansteuerelektronik 12 zur Verfügung gestellt.

[0031] Da das physikalische Modell 4, wie erwähnt, parallel zu den Glühkerzen 3 betrieben wird, d. h. einen äquivalenten bzw. proportionalen Energieeintrag erfährt, bildet es das Aufheizverhalten der Glühkerzen 3 nach. Diese Nachbildung sollte so angelegt sein, dass das Aufheiz- und Abkühlverhalten zumindest bei stehendem Motor nachgebildet wird. Das physikalische Modell 4 in der Glühsteuerung 2 erfährt aber nicht den Energiezu- bzw. abfluss wie eine Glühkerze im Brennraum durch die Verbrennungsenergie bzw. die zusätzliche Abkühlung beispielsweise im Schubbetrieb. Damit das physikalische Modell 4 seinen Zweck erfüllt und die Temperatur der Glühkerzen 3 so gut wie möglich nachbildet, kann neben der Parallelansteuerung des physikalischen Modells 4 gleichzeitig der zusätzliche positive oder negative Energieeintrag durch äußere Einflüsse, die vom Standardfall abweichen, mathematisch zuaddiert werden. Dazu ist vorzugsweise ein Korrekturmodul 13 vorgesehen, das zwischen dem physikalischen Modell 4 und der Ansteuerelektronik 12 liegt und den aktuellen Motorzustand, beispielsweise die Drehzahl, das Drehmoment, die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Temperatur usw., berücksichtigt und die Ansteuerung des physikalischen Modells 4 dementsprechend so modifiziert, dass die vom Modell ausgegebene Referenzglühkerzentemperatur mit der tatsächlichen Glühkerzentemperatur gut übereinstimmt.

[0032] Hierzu kann im einfachsten Fall die Ansteuerung des physikalischen Modells 4 mit einem Festwert begrenzt werden. Es ist bekannt, dass Glühkerzen während des Motorbetriebs zumindest bei Dieselmotoren mit direkter Einspritzung außer in Randbereichen niedriger Drehzahl und sehr hoher Last ein gegenüber den Verhältnissen bei stehendem Motor höheren Energiebedarf haben, um die Solltemperatur der Glühkerzen zu halten. Es ist dazu üblich, die Ansteuerelektronik 12 so auszubilden, dass die Energiezufuhr zu den Glühkerzen so geregelt wird, dass die Glühkerzentemperatur unabhängig von den Motorbetriebsbedingungen gehalten wird. Dadurch kann bei laufendem Motor und damit in der Regel höherem Energiefluss an die Glühkerzen als bei stehendem Motor davon ausgegangen werden, dass die Glühkerzen genau die Solltemperatur haben. Das Korrekturmodul 13 kann für diese einfach zu detektierenden Fälle das physikalische Modell 4 auf einen der Solltemperatur entsprechenden Zustand zwingen.

[0033] Wenn eine noch genauere Abbildung der tatsächlichen Glühkerzentemperatur durch das physikalische Modell 4 gefordert wird oder bei Motoren mit indirekter Einspritzung oder anderen Motoren, bei denen die oben erwähnte einfache Begrenzung des Modells durch einen Festwert nicht ausreicht, kann der zusätzliche positive oder negative Energieeintrag zunächst messtechnisch erfasst und in Korrelation mit dem Motorsteuergerät 1 oder der Glühsteuerung 2 verfügbaren Parametern, wie z. B. der eingespritzten Kraftstoffmenge, der Drehzahl, dem inneren Moment, der Luft-, Motor-, Wasseroder Öltemperatur gesetzt werden. Auf Grund der dann erhaltenen Daten wird ein Algorithmus oder ein mathematisches Modell erstellt und in das Korrekturmodul 13 integriert, so dass dieses das Ansteuersignal parallel zur Glühkerzenbestromung dergestalt modifiziert, dass das physikalische Modell 4 der tatsächlichen Temperatur an der Glühkerze folgt. Auf diese Weise kann zusätzlich vorteilhaft die Temperatur der Glühkerzen geregelt werden, indem durch die Erfassung der Temperatur des physikalischen Modells 4 ein geschlossener Regelkreis entsteht. Damit lassen sich Überbeanspruchungen, Fehlansteuerungen usw. vermeiden. Eine beispielsweise vom Motorsteuergerät 1 an die Glühsteuerung 2 gesendete Solltemperatur kann dann relativ einfach umgesetzt und überwacht werden, wobei die Erreichung dieser Temperatur wieder an das Motorsteuergerät 1 rückgekoppelt werden kann. Durch diese Regelung werden weitere Möglichkeiten eröffnet, die Glühkerzen 3 noch schneller als bisher auf die Solltemperatur zu bringen, da derzeit wegen der fehlenden Rückkopplung der resultierenden Temperatur an der Glühkerze 3 nur geringere Aufheizgeschwindigkeiten möglich sind.

Ansprüche

1. Verfahren zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Verhalten der Glühkerzen bei der Aufheizung sowie der Abkühlung emuliert wird und die Temperaturrückmeldung der Emulation als Steuergröße zur Steuerung der Aufheizung der Glühkerzen herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturrückmeldung der Emulation mit einer Referenztemperatur verglichen wird, die der Umgebungstemperatur entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturrückmeldung der Emulation so korrigiert wird, dass sie von den Motorbetriebsbedingungen unabhängig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur dadurch erfolgt, dass die Emulation mit einem Festwert begrenzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur dadurch erfolgt, dass bei der Emulation messtechnisch erfasste Energieeinträge in Korrelation zu verfügbaren Motorbetriebsparametern gesetzt werden und bei der Emulation berücksichtigt werden.

6. Vorrichtung zum Steuern der Aufheizung der Glühkerzen (3) eines Dieselmotors mit einer den Heizstrom der Glühkerzen (3) steuernden Steuerelektronik (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein physikalisches Modell (4) der Glühkerzen (3) in Form eines physikalischen Energiespeichers vorgesehen ist, dessen Energiezustand proportional oder umgekehrt proportional zur Glühkerzentemperatur ist und als Bezugssignal an der Steuerelektronik (12) liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Energiespeicher ein Kondensator ist, dessen Ladezustand der Glühkerzentemperatur proportional ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalische Energiespeicher ein Widerstandstemperaturelement mit positivem oder negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten ist, dessen Widerstand proportional zur Glühkerzentemperatur ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Speicher, an dem das Ausgangssignal des physikalischen Modells (4) liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch ein Korrekturmodul (13), das die Ansteuerung des physikalischen Modells (4) durch die Steuerelektronik (12) in Abhängigkeit von den Motorbetriebsverhältnissen modifiziert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Vergleichsmodul, das das Ausgangssignal des physikalischen Modells (4) mit der Umgebungstemperatur vergleicht.

Zeichnung