DE102010011044A1

DE102010011044A1 - Verfahren zum Regeln einer Glühkerze

Info

Publication number: DE102010011044A1
Application number: DE102010011044A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sackmann Martin; Dr. Last Bernd; Marc Rottner; Hans Houben; Dr. Toedter Olaf
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: CN102192070A; DE102010011044B4; US20110220073A1; US8656898B2; CN102192070B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Glühkerze bei laufendem Motor auf einen Sollwert der Oberflächentemperatur, wobei durch Pulsweitenmodulation einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt und an die Glühkerze angelegt wird, der elektrische Widerstand der Glühkerze gemessen, mit einem für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswert verglichen und in Abhängigkeit von der Abweichung des gemessenen Wertes des elektrischen Widerstands von dem erwarteten Wert des elektrischen Widerstands die Effektivspannung geändert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit einem Drucksensor der Glühkerze der Brennraumdruck gemessen und der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Mit modernen Steuergeräten werden Glühkerzen in Dieselmotoren nicht nur als Kaltstarthilfe verwendet, sondern auch während der Fahrt zur Unterstützung und Optimierung des Verbrennungsverhaltens eingesetzt. Beim Betrieb einer Glühkerze ist dabei darauf zu achten, dass eine für ein optimales Verbrennungsverhalten des Dieselmotors erforderliche Solltemperatur möglichst genau eingehalten wird. Eine zu geringe Kerzentemperatur führt zu einer suboptimalen Verbrennung und einem erhöhten Schadstoffausstoß, während ein Überschreiten der Solltemperatur die Glühkerze unnötig belastet und deren Lebensdauer verkürzt.
Um Glühkerzen auf eine Solltemperatur zu regeln, kann die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands verwendet werden. Bei derartigen Regelungsverfahren wird der elektrische Widerstand der Glühkerze gemessen und mit einem für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswert verglichen. In Abhängigkeit von der Abweichung des gemessenen Wertes des elektrischen Widerstandes von dem erwarteten Wert des elektrischen Widerstandes wird dann eine an die Glühkerze angelegte Effektivspannung, die durch Pulsweitenmodulation einer Bordnetzspannung erzeugt wird, geändert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Glühkerze bei laufendem Motor besser auf einen Sollwert der Oberflächentemperatur geregelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird mit einem Drucksensor der Glühkerze der Brennraumdruck gemessen und der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck bestimmt. Auf diese Weise ist eine wesentlich präzisere Temperaturregelung möglich. Der elektrische Widerstand einer Glühkerze hängt nämlich im Wesentlichen von der Temperatur des Heizelements und damit von der Innentemperatur der Glühkerze ab. Für das Verbrennungsverhalten eines Motors ist jedoch die Oberflächentemperatur einer Glühkerze maßgeblich, die unter Umständen erheblich von der Innentemperatur der Glühkerze abweichen kann. Eine die Oberfläche aufheizende oder kühlende Wirkung von Verbrennungsgasen kann bei der Regelung einer Glühkerze zumindest nährungsweise berücksichtigt werden, indem der Brennraumdruck gemessen und für eine Korrektur des für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswertes verwendet wird.
Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise eine Kennlinie verwendet werden, die für einen Referenzdruck den bei einem gegebenen Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswert angibt. Bei einer Abweichung des gemessenen Brennraumdrucks von dem Referenzdruck kann diese Kennlinie nach oben oder unten verschoben werden, um den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und elektrischem Widerstand bei einem von dem Referenzdruck abweichenden Brennraumdruck zu beschreiben. Im einfachsten Fall kann der erwartete Widerstandswert ausgehend von einem Widerstandswert für einen Referenzdruck bestimmt werden, indem zu dem Widerstandswert für den Referenzdruck ein Korrekturterm addiert wird, welcher der Abweichung des gemessenen Brennraumdrucks von dem Referenzdruck proportional ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei der Messung des Brennraumdrucks und des elektrischen Widerstands der Kurbelwellenwinkel erfasst wird, dann der erwartete Widerstandswert für einen definierten Kurbelwellenwinkel ermittelt wird und der Vergleich zwischen dem gemessenen Widerstand und dem erwarteten Widerstand zwischen Werten, die für denselben Kurbelwellenwinkel ermittelt wurden, erfolgt. Es wurde nämlich festgestellt, dass der Kurbelwellenwinkel auf die Oberflächentemperatur einer Glühkerze einen spürbaren Einfluss haben kann. Indem der Kurbelwellenwinkel bei der Regelung der Glühkerze berücksichtigt wird, lässt sich deshalb die Qualität der Regelung verbessern.
Im einfachsten Fall kann man den Brennraumdruck und den elektrischen Widerstand während eines Arbeitszyklus des Motors genau einmal bei einem definierten Kurbelwellenwinkel, beispielsweise bei 0°, messen und somit auch den erwarteten Widerstandswert jeweils für diesen Kurbelwellenwinkel festlegen. Das Glühkerzensteuergerät kann von einer Motorsteuerung oder einem Kurbelwellenwinkelsensor hierfür jedes Mal ein Signal erhalten, wenn der Kurbelwellenwinkel den vorgegebenen Wert hat.
Bevorzugt werden jedoch der elektrische Widerstand und der Brennraumdruck während eines Arbeitszyklus des Motors mehrmals gemessen, im Idealfall kontinuierlich oder quasi kontinuierlich. Werden während eines Arbeitszyklus mehrere Messungen, beispielweise mehr als 10, bevorzugt mehr als 20, insbesondere mehr als 50, vorgenommen, kann aus dem Verlauf des gemessenen Widerstands und/oder dem Verlauf des Brennraumdrucks der jeweilige Kurbelwellenwinkel bestimmt werden. Vorteilhaft müssen einem Glühkerzensteuergerät dann hierzu keine Informationen über eine Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Zur Durchführung des Verfahrens kann man den elektrischen Widerstand und den Brennraumdruck jeweils bei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel auswerten. Bevorzugt werden während eines Arbeitszyklus jedoch jeweils für mehrere Kurbelwellenwinkel Werte des erwarteten elektrischen Widerstandes ermittelt und mit denen für die betreffenden Kurbelwellenwinkel gemessenen Widerstandswerten verglichen. Vorteilhaft kann auf diese Weise der Einfluss von Messfehlern auf Änderungen der Effektivspannung reduziert werden.
Anstatt für das erfindungsgemäße Verfahren Werte bei einem definierten Kurbelwellenwinkel zu Grunde zu legen, kann zur Korrektur des erwarteten Widerstands aber beispielsweise auch ein mittlerer Brennraumdruck verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert auch in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder in Abhängigkeit von der Motorlast bestimmt wird. Auf diese Weise kann die Präzision der Regelung noch weiter verbessert werden, da die Oberflächentemperatur einer Glühkerze auch durch die Drehzahl und die Motorlast beeinflusst werden kann. Die Drehzahl des Motors kann vorteilhaft durch Auswertung des Verlaufs des Brennraumdrucks und/oder des Verlaufs des elektrischen Widerstandes der Glühkerze ermittelt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können Glühkerzen mit integrierten Drucksensoren verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2004 024 341 B3 bekannt sind. Die mit einer solchen Glühkerze gemessenen Druckinformationen können von einem Glühkerzensteuergerät zur Anpassung des für einen Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswerts verwendet werden. Vorteilhaft können Druckinformationen auch einem Motorsteuergerät zur Verfügung gestellt werden, das diese auswertet und zur Steuerung des Verbrennungsablaufs, beispielsweise der Einspritzmenge, verwenden kann. Dabei kann die aus dem gemessenen Widerstand ermittelte Temperatur der Glühkerze für eine Temperaturdriftkompensation verwendet werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur einer Glühkerze und ihrem elektrischen Widerstand für verschiedene Werte des Brennraumdrucks.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Regeln einer Glühkerze bei laufendem Motor auf einen Sollwert der Oberflächentemperatur wird durch Pulsweitenmodulation einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt und an die Glühkerze angelegt, der elektrische Widerstand der Glühkerze gemessen, mit einem für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswert verglichen und in Abhängigkeit von der Abweichung des gemessenen Wertes des elektrischen Widerstands von dem erwarteten Wert des elektrischen Widerstands die Effektivspannung geändert.
Der elektrische Widerstand einer Glühkerze wird jedoch von der Innentemperatur der Glühkerze bestimmt, die von ihrer Oberflächentemperatur erheblich abweichen kann. Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann dennoch auf der Grundlage des elektrischen Widerstands eine präzise Regelung der Oberflächentemperatur erreicht werden, indem mit einem Drucksensor der Glühkerze der Brennraumdruck gemessen und der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck bestimmt wird. Die Abweichungen der Oberflächentemperatur von der Innentemperatur einer Glühkerze beruhen nämlich zu einem wesentlichen Teil auf einer aufheizenden oder kühlenden Wirkung der Gase im Brennraum. Durch eine Messung des Brennraumdrucks lässt sich eine systematische Abweichung der Oberflächentemperatur der Glühkerze von der Innen- bzw. Heizleitertemperatur der Glühkerze zumindest näherungsweise berücksichtigen.
1 zeigt für eine Glühkerze schematisch den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur in °C und elektrischem Widerstand in willkürlichen Einheiten bei unterschiedlichem Brennraumdruck. Die Kurve A gibt beispielhaft den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und elektrischem Widerstand bei einem Referenzdruck, beispielsweise 100 bar, an. Die Kurve B gibt beispielhaft den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur und elektrischem Widerstand bei einem erhöhten Brennraumdruck, beispielsweise um 50% erhöhten Brennraumdruck, die Kurve C bei einem kleineren, beispielsweise um 50% kleineren, Brennraumdruck an. Wie man sieht können die Oberflächentemperaturen der Glühkerze bei gleichem Widerstand und somit gleicher Innentemperatur um über 100 K voneinander abweichen.
Mittels einer Kennlinie oder eines Kennlinienfeldes kann ein für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteter Wert des elektrischen Widerstandes der Glühkerze ermittelt werden. Im einfachsten Fall genügt eine Kennlinie, die bei einem Referenzdruck den Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur und der Innentemperatur der Glühkerze angibt. Je nach Abweichung des gemessenen Brennraumdrucks von dem Referenzdruck kann diese Kennlinie verschoben werden, um den Erwartungswert des Widerstandes an den gemessenen Brennraumdruck anzupassen. Beispielsweise kann der erwartete Widerstandswert ausgehend von einem Widerstandswert für einen Referenzdruck bestimmt werden, indem zu dem Widerstandswert für den Referenzdruck ein Korrekturterm addiert wird, welcher der Abweichung des gemessenen Brennraumdrucks von dem Referenzdruck proportional ist.
Eine präzisere Bestimmung des Widerstandswerts, der für eine vorgegebene Oberflächentemperatur bei einem definierten Motorbetriebszustand erwartet wird, lässt sich mit einem Glühkerzenmodell erreichen, in dem das thermisch elektrische Verhalten einer Glühkerze unter verschiedenen Randbedingungen mathematisch nachgebildet wird. Unter Berücksichtigung der einschlägigen physikalischen Gesetze, insbesondere Wärmeleitung und Wärmestrahlung, kann mit den entsprechenden Materialparametern das reale Glühkerzenverhalten sehr genau modelliert werden. Als Eingangsgrößen eines solchen Glühkerzenmodells kann neben dem Brennraumdruck beispielsweise zusätzlich auch die Einspritzmenge, die Motordrehzahl oder die Motorlast verwendet werden.
Unabhängig davon, wie unter Berücksichtigung des gemessenen Brennraumdrucks der erwartete Widerstandswert bestimmt wird, ist es besonders vorteilhaft, den Kurbelwellenwinkel zu berücksichtigen. Bei der Messung des Brennraumdrucks und des elektrischen Widerstands wird deshalb bevorzugt auch der Kurbelwellenwinkel erfasst. Der erwartete Widerstandswert wird dann für einen definierten Kurbelwellenwinkel ermittelt und der Vergleich zwischen dem gemessenen Widerstand und dem erwarteten Widerstand zwischen Werten, die für denselben Kurbelwellenwinkel ermittelt wurden, vorgenommen. Bevorzugt werden der elektrische Widerstand und der Brennraumdruck während eines Arbeitszyklus des Motors mehrmals gemessen, so dass der Verlauf des elektrischen Widerstandes und des Brennraumdrucks erfasst werden kann. Aus dem Verlauf des elektrischen Widerstands und/oder des Brennraumdrucks lässt sich der Kurbelwellenwinkel für die einzelnen Messwerte bestimmen.
Die Abweichung des gemessenen Wertes des elektrischen Widerstands von dem erwarteten Widerstandswert wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als Regeldifferenz zur Berechnung der Stellgröße, nämlich der an die Glühkerze angelegten Effektivspannung, verwendet. Die Effektivspannung wird durch Pulsweitenmodulation einer Bordnetzspannung erzeugt, beispielsweise indem die Bordnetzspannung für kurze Zeitintervalle an die Glühkerze angelegt wird. Durch das Verhältnis der Zeitdauer der Intervalle, in denen die Bordnetzspannung an der Glühkerze anliegt, und der Zeitdauer der Intervalle, in denen dies nicht der Fall ist, also ein entsprechender Schalter geöffnet ist, ist die Effektivspannung festgelegt.
Für die Regelung kann beispielsweise ein PID-Regler, ein adaptiver Regler oder ein nichtlinearer Regler verwendet werden. Im Allgemeinen sind lineare Regelungsansätze, beispielsweise PID-Regler, Zustandsregler, Riccati-Regler oder ähnliche Verfahren bevorzugt. Reichen lineare Methoden nicht aus, um die Regelungsziele zu erreichen, beispielsweise weil sich eine unzureichende Stabilität des geregelten Systems oder eine ungenügende Robustheit gegenüber Schwankungen der Batteriespannung zeigen, können nicht-lineare Regelungsverfahren verwendet werden, beispielsweise eine adaptive Regelung oder Lyapunov-basierte Regelungsansätze.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004024341 B3 [0013]

Claims

Verfahren zum Regeln einer Glühkerze bei laufendem Motor auf einen Sollwert der Oberflächentemperatur, wobei durch Pulsweitenmodulation einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung erzeugt und an die Glühkerze angelegt wird, der elektrische Widerstand der Glühkerze gemessen, mit einem für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwarteten Widerstandswert verglichen und in Abhängigkeit von der Abweichung des gemessenen Wertes des elektrischen Widerstands von dem erwarteten Wert des elektrischen Widerstands die Effektivspannung geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Drucksensor der Glühkerze der Brennraumdruck gemessen und der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des Brennraumdrucks und des elektrische Widerstands der Kurbelwellenwinkel erfasst wird, der erwartete Widerstandswert für einen definierten Kurbelwellenwinkel ermittelt wird und der Vergleich zwischen dem gemessenen Widerstand und dem erwarteten Widerstand zwischen Werten, die für denselben Kurbelwellenwinkel ermittelt wurden, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwellenwinkel aus dem Verlauf des gemessenen Widerstands und/oder dem Verlauf des Brennraumdrucks bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Wert des elektrischen Widerstandes der Glühkerze mittels einer Kennlinie oder eines Kennlinienfeldes ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Widerstandswert ausgehend von einem Widerstandswert für einen Referenzdruck bestimmt wird, indem zu dem Widerstandswert für den Referenzdruck ein Korrekturterm addiert wird, welcher der Abweichung des gemessenen Brennraumdrucks von dem Referenzdruck proportional ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck und in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl durch Auswertung des Verlaufs des Brennraumdruckes ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der für den Sollwert der Oberflächentemperatur erwartete Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck und in Abhängigkeit von der Motorlast bestimmt wird.