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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur
von Glühstiftkerzen in einem Brennkraftmotor nach Anspruch
1, die Verwendung dieses Verfahrens nach Anspruch 6 sowie eine entsprechende
Vorrichtung nach Anspruch 7.
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Eine
Temperatursteuerung von Glühstiftkerzen in einem Brennkraftmotor
kann Fertigungsabweichungen und/oder Alterungserscheinungen der
Kerzen berücksichtigen. Diese werden dabei über
eine widerstandsbasierte Anpassung von Glühparametern kompensiert.
Eine Glühanwendung misst dafür die Temperatur
jeder einzelnen Glühkerze und passt die einmal verwendeten
Glühparameter auf jede individuelle Kerze an. Dabei wird
eine konventionelle Zuordnung der Ansteuerspannung für
einen spezifischen Motorzustand wie z. B. Drehzahl, Last, Kühlwassertemperatur
usw vorgenommen. Die Temperaturregelung selbst setzt allerdings
ein realitätsnahes und daher komplexes bzw. aufwändiges
Kerzenmodell voraus. Die Umsetzung eines solchen Modells in eine
entsprechende Anwendung erfordert erheblichen Speicherbedarf und
hohe Rechenkapazität.
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Die
deutsche Patentschrift
DE 103
48 391 offenbart ein solches mathematisches Modell, mit
dem die Überhitzung einer Glühstiftkerze vermieden
werden soll, und die Kerze dennoch in kürzester Zeit auf eine
Solltemperatur gebracht wird. Das Modell berücksichtigt
dazu die aktuelle thermische Situation der Glühkerze und
bestimmt in Abhängigkeit eines oder mehrerer vorangegangener
Glühvorgänge und der dazwischenliegenden Pausenzeiten,
welche Bestromung notwendig und erlaubt ist, um die Kerze schnellstmöglich
auf die Solltemperatur zu bringen, ohne eine Überhitzung
zu riskieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
das die einfache, schnelle und zuverlässige Ermittlung
der Temperatur von Glühstiftkerzen in einem Brennkraftmotor
ermöglicht, und das zudem leicht umsetzbar und kostengünstig
ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende
Vorrichtung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur
von Glühstiftkerzen in einem Brennkraftmotor gelöst,
mit einem Initialisierungsschritt, bei dem ein Kaltwiderstand und eine
Kalttemperatur wenigstens einer Glühkerze bestimmt werden,
und mit wenigstens einem nachfolgenden Betriebsschritt, bei dem
ein Betriebswiderstand der Glühkerze(n) bestimmt und eine
jeweilige Betriebstemperatur der Glühkerze(n) aus dem nicht-linearen
Zusammenhang T = T0 + (R/R0 – 1)/αK berechnet wird, wobei T die Betriebstemperatur,
T0 die Kalttemperatur, R den Betriebswiderstand und R0 den Kaltwiderstand
bezeichnet, und der Wert αK unter Berücksichtigung
eines linearen Zusammenhangs zwischen der Betriebstemperatur und
dem Betriebswiderstand aus dem nichtlinearen Zusammenhang abgeleitet
wird.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung besteht dabei zunächst
darin, dass ihr ein einfaches lineares Kerzenmodell T/R = konstant
zugrunde liegt. Dieses einfache Modell wird erst durch Messung des
Kaltwiderstandes bei Glühbeginn in ein hochwertiges nicht-lineares
Kerzenmodell gewandelt. Die geometrische Erklärung liegt
in der Parallelverschiebung des linearen Modells. Widerstandmessungen
zu späteren Zeitpunkten erlauben eine Ableitung von αK. Das Verfahren ist damit einfach aufgebaut
und dennoch realitätsnah, somit schnell und gleichzeitig
besonders zuverlässig.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei vorgesehen,
dass die Kalttemperatur der wenigstens einen Glühstiftkerze
unter Heranziehen einer Kühlwassertemperatur, einer Leiterplattentemperatur und/oder
einer Lufttemperatur geschätzt wird. Dadurch wird ein üblicherweise
technisch komplizierter und teurer Messfühler überflüssig,
der direkt die Kerzentemperatur zum Zeitpunkt Kaltwiderstandsmessung
erfasst.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist es vorgesehen, einen Term in den nicht-linearen Zusammenhang
einzurechnen, der den Einfluss des Abstands zwischen Heizquelle und
Glühspitze der wenigstens einen Glühstiftkerze auf
deren Betriebstemperatur berücksichtigt. Die vorstehende
Gleichung wird damit um einen Term ergänzt, der den Wärmefluss
von einem Hotspot der Glühkerze, z. B. von der Glühwendel
hinter der Spitze einer Kerze, in Richtung Zylinderkopf modelliert. Dadurch
wird das Modell noch genauer.
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Bevorzugt
wird zum Bestimmen des Terms, der in den nichtlinearen Zusammenhang
eingerechnet wird, eine Zylinderkopftemperatur herangezogen. Da
die Glühstiftkerze durch das typische Schraubgewinde mit
dem Zylinderkopf verbunden ist, kann das Temperaturgefälle
zwischen Zylinderkopf und Kerzenspitze besonders einfach bestimmt
werden. Eine aufwändige Messung des Hotspots wird damit überflüssig.
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Wird
die Glühkerzentemperatur der vorstehenden Gleichung T = T0 + (R/R0 – 1)/αK zum Beispiel als Funktion f gemäß T = f(T0, R0, R, αK)ausgedrückt,
so kann der Term folgendermaßen gebildet werden und in
die Gleichung eingehen: T = f – (λ/A)·(T – TZ).
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Dabei
bezeichnet λ einen Wärmeübergangskoeffizienten
der Glühkerze und A eine Querschnittsfläche der
Glühkerze, sowie TZ eine Zylinderkopftemperatur.
Der Term gibt damit das Temperaturgefälle zwischen Zylinderkopf
und Kerzenspitze an.
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Die
letztgenannte Gleichung kann entsprechend nach der Temperatur T
der Kerzenspitze aufgelöst werden: T
= f – (λ/A)·T + (λ/A)·TZ T (1 + (λ/A))
= f + (λ/A)·TZ T = (f + (λ/A) * TZ)/(1
+ (λ/A)) und T = ((A/λ)·f
+ TZ)/((A/λ) + 1)
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Die
Modellierung der Glühstiftkerzen lässt sich dadurch
vereinfachen, wenn aus der Berechnung der Betriebstemperatur einer
Glühstiftkerze auf die Betriebstemperatur aller Glühkerzen
geschlossen wird. Dies erspart sowohl Speicherplatz wie auch Rechenleistung
und macht in der Folge das Verfahren besonders schnell und kostengünstig.
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Bevorzugt
soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturregelung
und/oder Alterungskompensation von Glühstiftkerzen in einem
Brennkraftmotor verwendet werden.
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Die
vorstehende Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Temperatur von Glühstiftkerzen in einem Brennkraftmotor
gelöst, umfassend eine Messeinheit, die zum Messen des
Widerstands wenigstens einer Glühstiftkerze ausgebildet
ist, und eine Berechnungseinheit, die zum Bestimmen eines Kaltwiderstands
und einer Kalttemperatur der Glühkerze(n) ausgebildet ist,
und die zum Berechnen einer jeweiligen Betriebstemperatur der Glühkerze(n)
aus dem nichtlinearen Zusammenhang T = T0 + (R/R0 – 1)/αK ausgebildet ist, wobei T die Betriebstemperatur,
T0 die Kalttemperatur, R der Betriebswiderstand
und R0 einen Kaltwiderstand bezeichnet,
und der Wert αK unter Berücksichtigung
eines linearen Zusammenhangs zwischen der Betriebstemperatur und
dem Betriebswiderstand aus dem nichtlinearen Zusammenhang abgeleitet
wird.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung besteht dabei darin, dass das zugrunde
liegende Kerzenmodell lediglich geringe Ressourcen bezüglich
Speicherplatz und Rechenleistung erfordert. Für eine erfindungsgemäße
Glühanwendung werden z. B. weniger als 8 kB RAM und weniger
als 20 MHz Taktfrequenz bei einem 8-Bit-Rechner benötigt.
Dagegen erfordert ein konventionelles aufwändiges Kerzenmodell
inklusive Regelung mehr als 16 kB RAM und ab 20 MHz Taktfrequenz
aufwärts bei einem 16/32-Bit-Rechner. Die einfache Struktur
des Modells lässt eine besonders einfache und kostengünstige Implementierung
in Software, Firmware oder Hardware zu.
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Gleichzeitig
ist das Modell ist reaktionsschnell und realitätsnah, damit
also sehr zuverlässig.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den Unteransprüchen 8 bis 11 angegeben.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei vorgesehen,
dass die Berechnungseinheit zum Einrechnen eines Terms in den nicht-linearen
Zusammenhang ausgebildet ist, der den Einfluss des Abstands zwischen
Heizquelle und Glühspitze der wenigstens einen Glühstiftkerze
auf deren Betriebstemperatur berücksichtigt. Damit lässt
sich ein Wärmefluss zwischen einem Hotspot der Kerze und
dem Zylinderkopf abbilden, was die Ermittlung einer Temperatur der
Kerzenspitze besonders genau macht.
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Aus
konstruktiver Sicht ist es besonders bevorzugt, wenn die Messeinheit
und die Berechnungseinheit einheitlich mit einer Glühstiftkerzensteuerung ausgeführt
sind. Die Integration der vorstehenden Einheiten in die Steuerung
macht zusätzliche Funktionskomponenten überflüssig
und spart damit Platz und Kosten.
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Zusätzliche
Messfühler werden dadurch überflüssig,
wenn die Messeinheit zum Anfordern thermischer Kenngrößen
mit einer Motorsteuerung verbunden ist. An letzterer Steuerung liegen üblicherweise
schon eine Reihe von Kenngrößen an, die z. B. für
die Einspritzsteuerung über ein Common-Rail erforderlich
sind.
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Vorzugsweise
umfassen die thermischen Kenngrößen eine Kühlwassertemperatur,
eine Leiterplattentemperatur, eine Lufttemperatur und/oder eine Zylinderkopftemperatur.
Damit lässt sich, wie vorstehend bereits erwähnt,
die Kaltstarttemperatur vor Glühbeginn annähern,
ohne dass ein gesonderter und entsprechend teurer Messfühler
an der Kerze selbst erforderlich wäre.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand
eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen
Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ein
Diagramm mit zeitabhängig angelegten Spannungen zum Ermitteln
eines Glühkerzenwiderstands gemäß der
Messstrategie des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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2 ein
Blockschaltbild von Motor, Motorsteuerung und Glühstiftkerzensteuerung,
in dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert
ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 zeigt
ein Diagramm mit zeitabhängig angelegten Spannungen U zum
Ermitteln eines Glühkerzenwiderstands R gemäß der
Messstrategie des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zur Messung des Kerzenwiderstands R besitzt die gezeigte Regelung
einen Initialisierungszustand zur Zeit t = 0 und einen nachfolgenden
Betriebszustand mit Messperioden MP0 ... MPn in Zeitabständen
dt.
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Bei
Initialisierung wird in dieser Ausführungsform der Kaltwiderstand
jeder einzelnen Kerze GP1 ... GPn (gezeigt in 2)
bestimmt. Um einen zusätzlichen Messfühler einzusparen,
wird die Messtemperatur T0 des Kaltwiderstands R0 geschätzt, und
zwar entweder aus einer Kühlwassertemperatur, der Temperatur
auf der Leiterplatte in einer Glühkerzensteuereinheit GCU
(Glow Plug Unit; gezeigt in 2) oder
einer Temperatur am Lufteinlass eines Motors.
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Im
Betriebszustand wird die Temperatur der Glühkerzen dann
entsprechend dem nicht-linearen Zusammenhang T
= T0 + (R/R0 – 1)/αK =
f(T0, R0, R, αK)berechnet,
wobei T die Betriebstemperatur, T0 die Kalttemperatur, R den Betriebswiderstand
und R0 den Kaltwiderstand bezeichnet, und der Wert αK unter
Berücksichtigung eines linearen Zusammenhangs zwischen
der Betriebstemperatur und dem Betriebswiderstand aus dem nichtlinearen
Zusammenhang abgeleitet wird.
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Ein
Wärmefluss zwischen Zylinderkopf und Kerzenspitze kann
durch Subtraktion des Terms (λ/A)·(T – TZ) in der Form T = f – (λ/A)·(T – TZ)berücksichtigt werden. Der
Term gibt das. Temperaturgefälle zwischen Zylinderkopf
und Kerzenspitze an. Dabei bezeichnet λ einen Wärmeübergangskoeffizienten
und A eine Querschnittsfläche der Glühkerze, sowie
TZ eine Zylinderkopftemperatur.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt damit
eine einfache, schnelle und zuverlässige Ermittlung der
Glühkerzentemperatur zu, die der Kompensation einer Fertigungsabweichung
oder von Alterungserscheinungen der Kerze(n) zugrundegelegt wird.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild von Motor M, Motorsteuerung EDC (Electronic
Data Control) und Glühstiftkerzensteuerung GCU, in dem
das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist.
Die Kerzensteuerung GCU weist dafür eine Messeinheit MU (Messuring
Unit) und eine Berechnungseinheit CU (Calculation Unit) auf, die
einheitlich mit der Steuerung GCU ausgeführt sind. Die
Messeinheit ist zum Erfassen der Zylinderkopftemperatur Tz als geschätzte Kaltstarttemperatur
T0 mit der Motorsteuerung EDC verbunden, an der wiederum diese Temperatur Tz über einen Messfühler
S (Sensor) anliegt. Die Glühkerzensteuerung ist andererseits mit
Glühstiftkerzen GP1 ... GPn zu deren Widerstandserkennung R
und Temperaturregelung T verbunden.
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Das
beschriebene Temperaturmodell ist in der Berechnungseinheit CU realisiert,
in der die von der oder über die Messeinheit MU gelieferten
Initialisierung- und Betriebskenngrößen T0, R0
und R verarbeitet werden. Die Messeinheit MU und die Berechnungseinheit
CU erfordern weder zusätzliche Messfühler noch
weiteren Platz im Motorraum eines Fahrzeugs, und erlauben dennoch
die einfache, schnelle und zuverlässige Ermittlung der
Glühkerzentemperatur, auf deren Basis Fertigungsabweichungen und/oder
Alterungserscheinungen der Kerzen kompensiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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