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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, bei welchem in einem Referenzbetrieb der Brennkraftmaschine ein mathematischer Zusammenhang zwischen gemessenen Temperaturen und gemessenen Widerständen der Glühstiftkerze gebildet wird und dieser mathematische Zusammenhang über die gesamte Lebensdauer der Glühstiftkerze dynamisch angepasst wird und eine Diagnose der Glühstiftkerze durchführbar ist sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2008 040 971 A1 ist ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von Glühstiftkerzen in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem für jede einzelne Glühstiftkerze ein mathematischer Zusammenhang zwischen gemessenen Temperaturen und gemessenen Widerständen in einem Referenzbetrieb der Brennkraftmaschine aufgenommen wird. Für einen solchen mathematischen Zusammenhang werden Daten im Referenzbetrieb bestimmt. Dieser mathematische Zusammenhang wird über die Lebensdauer der Glühstiftkerze dynamisch angepasst und im gesamten Betrieb der Brennkraftmaschine herangezogen, um eine Basisansteuerung der Glühstiftkerze zu korrigieren. Ein sicherer Betrieb der Glühstiftkerze ist immer dann möglich, wenn richtig gelernte Daten des mathematischen Zusammenhanges abgespeichert sind.
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Nach einer Änderung von elektrischer Parameter einer, die Glühstiftkerze enthaltenden Messkette, wie beispielsweise dem einem Austausch der Glühstiftkerze, wird mit dem, zur vorhergehenden Glühstiftkerze aufgenommenen adaptiven mathematischen Zusammenhang die neue Glühstiftkerze betrieben, wobei in ungünstigen Fällen die neue Glühstiftkerze außerhalb dieser Spezifikation arbeitet.
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Dies führt zu einem Überhitzen der Glühstiftkerze und somit zu einer sich verschlechternden Applikationsgüte, da die neue Glühstiftkerze einen anderen mathematischen Zusammenhang zwischen gemessenen Temperaturen und gemessenen Widerständen aufweist.
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Da die elektrischen Parameter nicht direkt an der Glühstiftkerze gemessen werden können, wird bei einer Diagnose die gesamte, die Glühstiftkerze enthaltene Messkette betrachtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei welchen die Temperaturregelung der Glühstiftkerze immer auf die aktuellen, beim Betrieb der Glühstiftkerze vorherrschenden elektrischen Parameter der Messkette abgestimmt ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass während des Referenzbetriebes mindestens ein Referenzparameter für die Diagnose eingelernt wird und der Referenzparameter mit einem gemessenen Parameter der Glühstiftkerze verglichen wird und bei einer Abweichung darauf geschlossen wird, dass sich die elektrischen Parameter einer, die Glühstiftkerze umfassenden Messkette geändert haben, vorzugsweise eine Glühstiftkerze neu in die Brennkraftmaschine eingesetzt wurde. Dies hat den Vorteil, dass Echtzeitdiagnosen zur Erkennung des Wechsels der elektrischen Parameter der Messkette und/oder des Austausches der Glühstiftkerze im laufenden Temperaturregelungsprozess durchgeführt werden können. Die elektrischen Parameter der Messkette werden dabei durch den Widerstand der Glühstiftkerze bestimmt, welcher durch den Tausch der Glühstiftkerze oder eine Alterung der Glühstiftkerze beeinflusst wird. Weiterhin werden die elektrischen Parameter durch einen Kabelbaum- oder Steckerkontaktwiderstand infolge Korrosion beeinflusst. Bei Applikationsfahrzeugen beeinflusst die Kabelbaumlänge die elektrischen Parameter. Auch eine Bauteilealterung der Elektronik in dem Glühzeitsteuergerät bzw. deren Temperaturgang hat eine Auswirkung auf die elektrischen Parameter, genau so wie eine Massepotentialverschiebnung. Auf Grund der Echtzeitdiagnose kann auf zusätzliche Vorgänge, die das Ziel haben, ausgewechselte Glühstiftkerzen zu erkennen, verzichtet werden. Darüber hinaus können nach Erkennung einer neuen Glühstiftkerze Maßnahmen eingeleitet werden, die dem Schutz der Glühstiftkerze dienen und außerdem dazu führen, dass ein neuer mathematischer Zusammenhang zwischen gemessenen Temperaturen und gemessenen Widerständen für die Regelung der Temperatur der neuen Glühstiftkerze eingelernt wird. Somit kann im laufenden Betrieb der Glühstiftkerze eine Echtzeitdetektion der neuen Glühstiftkerze realisiert werden und Ersatzfunktionen zur Verhinderung einer Fehlansteuerung der neuen Glühstiftkerze ausgeführt werden, solange noch der, zu der vorhergehenden Glühstiftkerze gehörige mathematische Zusammenhang bei der Temperaturregelung genutzt wird. Dadurch werden die Kosten für die Qualitätssicherung reduziert.
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Vorteilhafterweise wird eine Differenz aus Referenzparameter und gemessenem Parameter der Glühstiftkerze gebildet, wobei bei einer Überschreitung eines Grenzwertes durch einen Betrag der Differenz darauf geschlossen wird, dass sich die elektrischen Parameter der, die Glühstiftkerze umfassenden Messkette geändert haben, vorzugsweise eine Glühstiftkerze neu in die Brennkraftmaschine eingesetzt wurde. Durch die Feststellung, dass eine neue Glühstiftkerze in der Brennkraftmaschine verbaut wurde, können Kerzendefekte verhindert werden, da die Regelparameter der Temperaturregelung an die neu verbaute Glühstiftkerze und deren Temperatur-Widerstands-Charakteristik angepasst werden können.
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In einer Ausgestaltung sind der Referenzparameter und der gemessene Parameter als Referenzparameterprofil und Parameterprofil ausgebildet, welche insbesondere jeweils eine Vielzahl von Einzelwerten aufweisen, und während der Diagnose das Referenzparameterprofil mit einem gemessenen Parameterprofil der Glühstiftkerze verglichen wird, wobei eine Flächenabweichung zwischen dem Referenzparameterprofil und dem gemessenen Parameterprofil bestimmt wird und bei einer Überschreitung eines Flächengrenzwertes durch einen Betrag der Flächenabweichung darauf geschlossen wird, dass sich die elektrischen Parameter der, die Glühstiftkerze umfassenden Messkette geändert haben, vorzugsweise eine Glühstiftkerze neu in die Brennkraftmaschine eingesetzt wurde. Werden bei dem Flächenvergleich signifikante Abweichungen zwischen dem Referenzparameterprofil und dem gemessenen Parameterprofil erkannt, wird davon ausgegangen, dass die verbaute Glühstiftkerze nicht den im Referenzbetrieb aufgenommenen mathematischen Zusammenhang aufweist, auf welches die Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze ausgelegt ist. Durch den Flächenvergleich lassen sich Unterschiede zwischen gemessenem Parameterprofil und gespeichertem Referenzparameterprofil besonders detailliert erkennen. Dadurch wird eine neue Glühstiftkerze mit einer hohen Zuverlässigkeit erkannt.
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In einer Variante erfolgt die Diagnose zumindest in einem vorgegebenen Zeitpunkt oder bei Erreichung eines bestimmten Widerstands der Glühstiftkerze. Dadurch wird sichergestellt, dass der Vergleich immer bei einem fest vorgegebenen Betriebsverhalten der Glühstiftkerze durchgeführt wird. Dies erhöht die Genauigkeit der Bewertung der verbauten Glühstiftkerze.
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Alternativ wird die Diagnose in einem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine durchgeführt, in welchem sich die Brennkraftmaschine in einem statischen Zustand befindet. Dadurch wird sichergestellt, dass nach dem Einbau einer Glühstiftkerze, welche einen mathematischen Temperatur-Widerstands-Zusammenhang aufweist, der von dem Temperatur-Widerstand-Zusammenhang der zuvor eingebauten Glühstiftkerze abweicht, diese Abweichung sicher erkannt wird. Dadurch wird ein Kerzenwechsel frühzeitig detektiert und sicher verhindert, dass die neu eingebaute Glühstiftkerze durch Überhitzung geschädigt wird. Der Applikationsaufwand und die Detektionsgüte werden somit verbessert.
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In einer Weiterbildung werden als Referenzparameter ein Glühstiftkerzenwiderstand und/oder eine Glühstiftkerzenleistung und/oder eine Glühstiftkerzenenergie und/oder ein Spannungsprofil der Glühstiftkerze verwendet. Somit werden als Referenzparameter für die Diagnose physikalische Eigenschaften der Glühstiftkerze herangezogen, die für jede einzelne Glühstiftkerze charakteristisch sind. Dadurch lässt sich ein Unterschied zwischen verschiedenen Glühstiftkerzen zuverlässig erkennen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird bei Überschreitung eines der Grenzwerte eine Ersatzfunktion für die Ansteuerung der Glühstiftkerze ausgeführt. Solche Ersatzfunktionen verhindern ein Überhitzen und somit eine Schädigung der Glühstiftkerze, wenn die Temperatur der neu eingebauten Glühstiftkerze auf der Basis des mathematischen Zusammenhangs der vorhergehend verbauten Glühstiftkerze geregelt wird. Durch das frühzeitige Erkennen eines Wechsels der Glühstiftkerze in der Brennkraftmaschine werden auch diese Ersatzfunktionen frühzeitig aktiviert.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Einlernen des mindestens einen Referenzparameters für die Diagnose nach einer vorgegebenen Anzahl von Glühstunden der Glühstiftkerze und/oder nach einer vorgegebenen Anzahl von gefahrenen Kilometern eines Kraftfahrzeuges, welches von der, die Glühstiftkerze enthaltenden Brennkraftmaschine angetrieben wird. Somit gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den mathematischen Zusammenhang, welcher der Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze zugrunde liegt, an die Charakteristik derjenigen Glühstiftkerze anzugleichen, welche während des Regelungszeitpunktes in der Brennkraftmaschine verbaut ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird während der Diagnose beim Aufheizen der Glühstiftkerze eine Energie kalkuliert, welche nach Überschreitung eines definierten Widerstandes der Glühstiftkerze zugeführt wird, wobei die kalkulierte Energie mit der tatsächlich von der Glühstiftkerze zur Einstellung einer Solltemperatur aufgenommenen Energie verglichen wird und bei einer Abweichung der Differenz aus kalkulierter Energie von einer Referenzenergie auf eine neue Glühstiftkerze geschlossen wird. Somit lässt sich schon zu einem besonders frühen Zeitpunkt auswerten, ob der, der Regelung zugrundeliegende mathematische Zusammenhang charakteristisch für die in der Brennkraftmaschine verbaute Glühstiftkerze ist.
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Alternativ wird während der Diagnose einer erwärmten Glühstiftkerze bei abgeschalteter Brennkraftmaschine die Glühstiftkerze mit einer Spannung beaufschlagt, wobei eine zur Erreichung der Solltemperatur notwendige Energie berechnet wird und nach dem Erreichen der Solltemperatur der Glühstiftkerze die berechnete Energie mit einer Referenzenergie verglichen wird und bei Überschreitung eines Energieschwellwertes auf eine neue Glühstiftkerze erkannt wird. Somit eignet sich das vorgeschlagene Verfahren auch für eine Überprüfung einer schon erwärmten Glühstiftkerze. Die Glühstiftkerze ist dann erwärmt, wenn sie schon einmal einem Glühprozess unterworfen wurde und nach Abschaltung der Brennkraftmaschine noch nicht wieder auf die Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Auch in dieser Situation bietet das vorgeschlagene Verfahren eine zuverlässige Detektion eines Wechsels der Glühstiftkerze.
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In einer Variante wird während einer Diagnose der aufgeheizten Glühstiftkerze während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Reglerstellwert eines Temperaturreglers ausgewertet, wobei bei Überschreitung eines Reglerstellwertschwellwertes auf eine neue Glühstiftkerze geschlossen wird. Insbesondere im laufenden stationären Betrieb der Glühstiftkerze lässt sich auf besonders einfache Art und Weise auf einen Wechsel bei den Glühstiftkerzen schließen, da bei annähernder Übereinstimmung des in der Regelung verwendeten mathematischen Zusammenhanges mit der tatsächlich verbauten Glühstiftkerze der Reglerstellwert nur geringfügig schwankt. Treten signifikante Abweichungen des Reglerstellwertes zum Reglerstellwertschwellwert auf, so ist davon auszugehen, dass nicht die zu dem mathematischen Zusammenhang passende Glühstiftkerze in der Brennkraftmaschine eingebaut ist.
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In einer Ausgestaltung modelliert während einer Diagnose der Glühstiftkerze während des Betriebes der Brennkraftmaschine ein dynamisches Glühstiftkerzendiagnosemodell, bestehend aus Verstärkungsfaktoren, Phaseninformationen, Totzeiten und Zeitkonstanten, elektrische Glühstiftkerzengrößen Strom und/oder Widerstand und/oder Leistung und/oder Energie aus Zeit und gemessener Glühstiftkerzenspannung und vergleicht die modellierten Größen mit aktuell gemessenen bzw. berechneten Glühstiftkerzengrößen Strom und/oder Widerstand und/oder Leistung und/oder Energie.
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Alternativ werden aus gemessen bzw. berechneten elektrischen Glühstiftkerzengrößen Spannung und Strom und/oder Widerstand und/oder Leistung und/oder Energie sowie der Zeit- oder Frequenzinformation fortlaufend Parameter des Diagnosemodells, bestehend aus Verstärkungsfaktoren, Phaseninformationen, Totzeiten und Zeitkonstanten online identifiziert und mit im Glühzeit- oder Motorsteuergerät gespeicherten Referenzparameterwerten verglichen, wobei bei Abweichung auf eine neue Glühstiftkerze geschlossen wird.
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Eine Weiterbildung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung einer Temperatur einer Glühstiftkerze in einer Brennkraftmaschine, die zur Durchführung des in dieser Schutzrechtsanmeldung vorgeschlagenen Verfahrens ausgebildet ist. Diese Vorrichtungen können die an sich bekannten Glühzeitsteuergeräte bzw. Motorsteuergeräte sein, so dass auf eine Ausbildung einer zusätzlichen Hardware verzichtet werden kann, wodurch die Kosten für die Realisierung des Verfahrens reduziert werden. Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Temperaturvorgabeeinheit, eine Vorsteuereinheit, eine Diagnoseeinheit, eine Modellierungseinheit und eine Regeleinheit. Diese Einheiten lassen sich auch softwaremäßig in dem entsprechenden Glühzeit- bzw. Motorsteuergerät abbilden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Prinzipdarstellung der Anordnung einer Glühstiftkerze in einem Dieselmotor
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2: Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ansteuerung von Glühstiftkerzen in einem Dieselmotor
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3: schematische Darstellung des Vergleichs eines Referenzparameters der Glühstiftkerze mit einem tatsächlich gemessenen Parameter der Glühstiftkerze über der Zeit.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Kalte Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, benötigen bei Umgebungstemperaturen von < 40°C eine Starthilfe zur Zündung des in den Dieselmotor eingeleiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Als Starthilfe werden Glühsysteme eingesetzt, welche aus Glühstiftkerzen, einem Glühzeitsteuergerät und einer Glühsoftware, welche in einem Motorsteuergerät abgelegt ist, bestehen.
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1 zeigt ein solches Glühsystem 1. Eine Glühstiftkerze 2 ragt dabei in den Brennraum 3 des Dieselmotors 4. Die Glühstiftkerze 2 ist einerseits mit dem Glühzeitsteuergerät 5 verbunden und führt andererseits an eine Bordnetzspannung 6, die die Glühstiftkerze 2 mit einer Nennspannung von beispielsweise 11 Volt ansteuert. Das Glühzeitsteuergerät 5 ist mit dem Motorsteuergerät 7 verbunden, welches wiederum an den Dieselmotor 4 führt.
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Zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die Glühstiftkerze 2 in einer Push-Phase, die 1 bis 2 Sekunden dauert, durch das Anlegen einer Überspannung vorgeheizt. Die elektrische Energie, die der Glühstiftkerze 2 somit zugeführt wird, wird durch einen nicht weiter dargestellten Heizer der Glühstiftkerze 2 in Wärme umgewandelt. Dabei steigt die Temperatur an der Spitze der Glühstiftkerze 2 steil an. Die Heizleistung des Heizers wird über das elektronische Glühzeitsteuergerät 5 an die Anforderungen des jeweiligen Dieselmotors 4 angepasst. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird an der heißen Spitze der Glühstiftkerze 2 vorbeigeleitet und erwärmt sich dabei. Gleichzeitig kühlt die Spitze der Glühstiftkerze 2 aus. Verbunden mit einer Ansauglufterwärmung während des Verdichtertaktes des Dieselmotors 4 wird die Entflammungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht.
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Die Temperatur der Glühstiftkerze 2 wird mittels eines Regelkreises 10 geregelt, welcher in 2 dargestellt ist. Ein solcher Regelkreis 10 kann entweder im Glühzeitsteuergerät 5 oder im Motorsteuergerät 7 abgelegt sein. Der Regelkreis 10 umfasst eine Temperaturvorgabeeinheit 11, welche eine Soll-Glühtemperatur Tsoll für die Glühstiftkerze 2 vorgibt und an eine Vorsteuerungseinheit 12 führt. In der Vorsteuerungseinheit 12 ist ein Basiskennfeld KF hinterlegt, das einen Zusammenhang zwischen der Soll-Temperatur Tsoll und einer Ansteuerspannung UKF für die Glühstiftkerze 2 in Abhängigkeit von einer gemessenen Motordrehzahl n und einer Einspritzmenge q des Dieselmotors 4 angibt. Eine Diagnoseeinheit 13 ist mit der Glühstiftkerze 2 elektrisch verbunden. Mittels eines Sensors 14 werden an der Glühstiftkerze 2 der aktuelle Strom und die aktuelle Spannung gemessen, welche den realen Widerstand Rist der Glühstiftkerze 2 ergeben, die aktuell in dem Dieselmotor 4 verbaut ist. Über einen mathematischen Zusammenhang MF in einer Modellierungseinheit 15 wird die tatsächliche Temperatur Tist der Glühstiftkerze 2 ermittelt. Im Knotenpunkt 16 wird die Soll-Temperatur Tsoll mit der tatsächlichen Temperatur Tist verglichen. Aus der Temperaturabweichung Tdiff berechnet die Regeleinheit 17 eine Korrekturspannung Udiff, die zur Ansteuerspannung UKF vorzeichenrichtig addiert wird (Punkt 18). Auf diese Art und Weise wird die Soll-Temperatur Tsoll der Glühstiftkerze 2 zu jedem Zeitpunkt exakt an den optimalen Arbeitspunkt des Dieselmotors 4 eingestellt.
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Der mathematische Zusammenhang MF bildet dabei einen Temperatur-Widerstands-Zusammenhang der Glühstiftkerze 2 ab, der eine schnelle und wirklichkeitsnahe Ermittlung der Ist-Temperatur Tist ermöglicht. In der Modellierungseinheit 15 wird der mathematische Zusammenhang MF aus einer oder mehreren Messungen des Widerstandes Rist und der zugehörigen Temperatur Tist gewonnen, die während eines Referenzbetriebes z.B. bei Stillstand des Dieselmotors 4, in dessen Leerlauf oder in dessen Schubbetrieb ermittelt wurden.
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Im Folgenden soll auf die Glühstiftkerzendiagnose im Block 13, insbesondere deren Interaktion zur Glühstiftkerze 2 und zur Regeleinheit 17 Bezug genommen werden. Diese Glühstiftkerzendiagnose muss bei der Bestromung der Glühstiftkerze 2 sicher erkennen, ob eine Glühstiftkerze ausgetauscht wurde. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das signifikante Widerstands-Temperatur-Verhalten der verbauten Glühstiftkerze 2 mit dem mathematischen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand verglichen wird, der während des Referenzbetriebes im Glühzeitsteuergerät 5 bzw. im Motorsteuergerät 7 abgespeichert wurde. Neben den Daten für den mathematischen Zusammenhang MF werden während des Referenzbetriebes des Dieselmotors 4 auch Referenzparameter für das Diagnosemodell der Glühstiftkerze 2 gelernt. Dabei umfasst das Diagnosemodell als Eingangsgrößen den Glühstiftkerzenwiderstand, welcher aus Strom und Spannung der Glühstiftkerze 2 berechnet wird (R(t) = u(t)/i(t), die Glühstiftkerzenleistung, die aus dem Produkt von Strom und Spannung der Glühstiftkerze bestimmt wird (P (t) = i(t) × u(t), eine kalkulierte Glühstiftkerzenenergie mit dem Einheitswiderstand R = 1 Ohm, welche mittels einem Integral über dem Quadrat der Spannung der Glühstiftkerze über der Zeit bestimmt wird (EKj = 1/R integral u2 = ∫U2dt, mit R = 1 Ohm), eine Glühstiftkerzenenergie, welche mittels Integral der Glühstiftkerzenleistung über der Zeit bestimmt wird (E = ∫P2dt = 1/R(t) integral u2(t)dt) und Spannungsprofile U. Diese genannten Eingangsgrößen werden beim Einlernen im Referenzbetrieb des Dieselmotors 4 für einen Zeitraum tx im Glühzeitsteuergerät 5 oder im Motorsteuergerät 7 als Referenzparameter abgelegt. Diese Referenzparameter charakterisieren den mathematischen Zusammenhang MF der aktuell im Brennraum 3 des Dieselmotors 4 verbauten Glühstiftkerze 2.
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Während der Diagnose, welche in vorgegebenen Zeitabständen unabhängig davon, ob ein dynamischer oder statischer Betrieb des Dieselmotors 4 vorliegt, werden die Eingangsgrößen R, P, EKj, E, U als Referenzparameter mit aktuell an der Glühstiftkerze 2 gemessenen Parametern Rist, Pist, EKjist, Eist, Uist verglichen. Zeigt der Vergleich eine signifikante Abweichung zwischen den Referenzparametern und den gemessenen Parametern, so werden Ersatzmaßnahmen in Form von Ersatzfunktionen aktiviert, die verhindern, dass die verbaute Glühstiftkerze 2 überhitzt wird.
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In einem ersten, zu betrachtenden Fall ist die Glühstiftkerze 2 zu heiß und die Regeleinheit 17 erhöht die Spannung UGLP an der Glühstiftkerze 2 weiter. Als Ersatzfunktion wird die Reglerspannung Udiff auf Null gesetzt und somit die Erhitzung und die weitere Energiezufuhr zum Aufheizen der Glühstiftkerze 2 begrenzt. Die Vorsteuerung wird auf –1 Volt gesetzt und die Regeleinheit 17 als solche aktiv belassen. In einem zweiten, zu betrachtenden Fall ist die Glühstiftkerze 2 zu kalt und die Regeleinheit 17 reduziert die Spannung UGLP signifikant, wobei nur reduzierte Energie zum Aufheizen der Glühstiftkerze 2 zur Verfügung steht. In diesem Fall ist keine Reaktion bezüglich der Vorsteuer- bzw. Reglerspannung notwendig, da die Glühstiftkerze 2 nicht überhitzt wird.
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In beiden Fällen wird aber festgestellt, dass die in dem Brennraum 3 aktuell verbaute Glühstiftkerze 2 nicht der Glühstiftkerze entspricht, für welche der mathematische Zusammenhang MF in der Modellierungseinheit 15 eingelernt wurde. Daraus ist zu schlussfolgern, das beim nächsten Nachlauf des Motorsteuergerätes 7 bzw. des Glühzeitsteuergerätes 5 das Einlernen neuer Referenzparameter R, P, EK, E, U für die Regelung der Temperatur der verbauten Glühstiftkerze 2 erfolgen muss.
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Die als Eingangsgrößen ausgebildeten Referenzparameter R, P, EK, E, U können auch als Profile ausgebildet sein, wobei jeweils ein Profil beispielsweise aus unendlich vielen Datenpunkten der einzelnen Parameter bestehen kann. Ein solches Profil ist für zwei verschiedene Glühstiftkerzen 2a, 2b in 3 dargestellt, wobei die Glühstiftkerze 2a zum Diagnosezeitpunkt in dem Dieselmotor 4 verbaut ist, während die Glühstiftkerze 2b vor der Glühstiftkerze 2a in dem Dieselmotor 4 eingesetzt war und deren mathematischer Zusammenhang immer noch in der Modellierungseinheit 15 abgespeichert ist. Die über der Zeit in 3 dargestellten Parameterprofile können beispielsweise einem Widerstandsprofil R, einem Leistungsprofil P, einem Spannungsprofil U und einem Energieprofil E entsprechen.
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Wie aus 3 ersichtlich, besteht zwischen diesen Parameterprofilen eine Flächenabweichung. Überschreitet der Betrag der Flächendifferenz ΔA bzw. der Betrag der Parameterdifferenz ΔPa, welche nur aus zwei Punkten zu einem bestimmten Zeitpunkt tK festgestellt wird, einen jeweils vorgegebenen Schwellwert, so werden die Ersatzfunktionen aktiviert und erkannt, dass der, in der Modellierungseinheit 15 abgelegte mathematische Zusammenhang MF nicht der Temperatur-Widerstands-Charakteristik entspricht, welche die im Brennraum 3 des Dieselmotors 4 verbaute Glühstiftkerze 2 aufweist. Bei der Festlegung der Grenzwerte können ein Messrauschen oder Störgrößen berücksichtigt werden. Die Parameterprofile der Glühstiftkerze 2 können aber auch nur zu einem bestimmten Zeitpunkt tK unter definierten Anfangs- und Randbedingungen aus den zu diesem Zeitpunkt auftretenden Parametern extrahiert werden.
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Im Weiteren soll die Diagnose der Glühstiftkerze 2 während der unterschiedlichen Betriebszuständen der Glühstiftkerze 2 betrachtet werden. In allen diesen Betriebssituationen wird davon ausgegangen, dass dem Regelkreis 10 der mathematische Zusammenhang MF der aktuellen Glühstiftkerze 2 bekannt gemacht wurde. Bei dem Einlernen des mathematischen Zusammenhanges für die Temperaturregelung der Glühstiftkerze 2 werden zusätzliche Parameter für das Diagnosemodell abgespeichert. Zunächst soll der Fall betrachtet werden, bei welchem die Glühstiftkerze 2 aus dem kalten Zustand aufgeheizt wird. Als Voraussetzung für die Bestimmung der Parameter beim Aufheizen der Glühstiftkerze 2 müssen konstante Anfangsbedingungen, wie Widerstand RA, die Anfangsleistung PA und die Anfangsenergie EA für bestimmte Widerstandswerte, z.B. bei 400 Ω, 600 Ω oder ähnliches definiert werden. Darüber hinaus wird eine konstante kalkulierte Energie EK der Glühstiftkerze 2 zur Verfügung gestellt, welche beispielsweise 50 V2s, 100 V2s usw. darstellt. Diese Anfangs- und Randbedingungen sind notwendig, um immer gleiche Bedingungen für den Vergleich zwischen den aktuell gemessenen Parametern und den als Referenzparametern R, P, EKj, E, U abgelegten Daten zu erhalten.
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Für die Überprüfung wird ein Widerstand Rx von beispielsweise 400 Ω zum Start für die Kalkulation des Energiewertes EA zugrundegelegt. Dieser Widerstand RX muss von der Glühstiftkerze 2 beim Aufheizen überschritten sein, d.h. R(t0) < 400 mOhm, R(t > t0) > 400 mOhm, wobei t0 der Zeitpunkt der Erstbestromung bei 0s, t die ermittelte Zeit. Dadurch wird sichergestellt, dass die Diagnose beim Aufheizen der Glühstiftkerze immer gleiche Anfangsbedingungen erfüllt. Der Status der Überschreitung der Widerstandsgrenze von beispielsweise 400m Ohm dient als Triggersignal zum Start der Diagnoseprozedur beim Aufheizvorgang der Glühstiftkerze (2). Der Zeitpunkt der Triggerung, d.h. Überschreitung von Rx wird im Folgenden mit tx bezeichnet. Es werden mehreren Berechnungen nach der Triggerung durchgeführt:
Zunächst wird die Startintegrationszeit tx mit auf Null gesetzt. Anschließend erfolgt die Initialisierung der Energien E, Ekj ebenfalls mit dem Wert Null, wobei E die an der Glühstiftkerze umgesetzte Energie und Ekj die berechnete Signalenergie darstellen. Im nächsten Schritt wird der Widerstands R zum Zeitpunkt tx bestimmt, wobei der Widerstand R nach obiger Definition R(tx) > 400mOhm entsprechen sollte. Die genaue Größe (z.B. 423 mOhm) muss bestimmt werden Ist der Widerstand R(tx) plausibel, d. h. nur geringfügig über Rx wird die Diagnose beim Aufheizen der Glühstiftkerze 2 durchgeführt. Jetzt erfolgt der Start der Integration der Energie E = 1/R(t) integral u2(t)dt. Die Startzeit tx = 0 und der Endzeit tE der Integration werden über einen weiteren Algorithmus berechnet.
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Die Berechnung der Endzeit tE erfolgt wie folgt: Die Endzeit tE wird abhängig von der, der Glühstiftkerze 2 zugeführten Signalenergie E und der von der Glühstiftkerze umgesetzten Energie Ekj berechnet. Dabei startet die Integration der Signalenergie E, Ekj mit dem Bezugswiderstand R = 1 Ohm = const., wobei Ekj = 1/R integral u2(t)dt bei der Startzeit tx = 0. Die Integration beider Energiewerte E, Ekj wird zum gleichen Zeitpunkt tx = 0 gestartet. Anschließend wird die Endzeit tE beim Erreichen eines vorgegeben Signalenergiereferenzwertes von beispielsweise Ekj >= 50V2s bestimmt. Daraus folgt, dass tE = min (t(Ekj >= Eref)).
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In einem nächsten Schritt wird die Differenz zwischen dem Energiereferenzwert E (bzw. Widerstand/Leistungsreferenzwert) und dem aktuellen Energiewert Eist (bzw. Widerstand/Leistungswert) einem Interferenzmechanismus zugeführt. Der Interferenzmechanismus liefert eine Aussage darüber, ob der neu bestimmte Energiewert E (Widerstand/Leistungswert) signifikant vom Referenzwert abweicht, z.B. weil eine neue Glühstiftkerze 2 eingebaut wurde oder sich der Kontakt-/Kabelbaumwiderstand oder Massepotential etc. sich seit der letzten Referenzmessung geändert haben.
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Weicht der berechnete Wert, welcher der kalkulierte Leistung entspricht, von einem Referenzleistungswert ab, welcher in dem Glühzeitsteuergerät 5 bzw. dem Motorsteuergerät 7 als Referenzparameter abgelegt ist, so werden die bereits erläuterten Ersatzfunktionen aktiviert und es wird festgestellt, dass die physikalischen Parameter der verbauten Glühstiftkerze 2 nicht dem Referenzparametern entsprechen.
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Der erläuterte Algorithmus kann auch verwendet werden, wenn anstatt des Widerstandes Rx 0 400 Ohm ein Widerstand von 800 Ohm gewählt wird.
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In einem zweiten zu betrachtenden Fall wurde die Glühstiftkerze 2 bereits in einem Brennprozess genutzt und danach der Dieselmotor 4 wieder abgeschaltet. Die Glühstiftkerze 2 ist dabei noch nicht auf Raumtemperatur abgekühlt. Zur Diagnose wird in diesem Fall eine Kennlinie der Energie E als Funktion des Anfangswiderstandes RA der Glühstiftkerze 2 in dem Glühzeitsteuergerät 5 oder dem Motorsteuergerät 7 abgespeichert. An die Glühstiftkerze 2 wird eine Vorsteuer- und Reglerspannung UGLP zum Aufheizen angelegt, wobei beispielsweise die Summe aus Vorsteuer- und Reglerspannung UGLP = 11 V beträgt. Sobald die Glühstiftkerze 2 die gewünschte Solltemperatur Tsoll erreicht hat, reduziert die Regeleinheit 17 die Spannung UGLP entscheidend, damit die Glühstiftkerze 2 nicht überhitzt wird. Beim Aufheizen durch die Regeleinheit 17 wird die kalkulierte Energie bestimmt, welche sich als Integration der kalkulierten Leistung P = 1/R integral u2(t), bei R = 1 Ohm [V2s] ergibt. Am Ende der Aufheizphase, d.h. beim Erreichen der Solltemperatur Tsoll, wird die tatsächlich gemessenen Energie Eist mit der Referenzenergie der Kennlinie E = f(R0) verglichen. Bei einer großen Differenz zwischen der Referenzenergie E der Kennlinie und der aktuell gemessenen Energie Eist wird eine Ersatzfunktion aktiviert und auf eine ausgetauschte Glühstiftkerze 2 im Brennraum 3 des Dieselmotors 4 erkannt. Dieses Verfahren funktioniert insbesondere dann, wenn der Dieselmotor 4 steht, d.h. die Drehzahl des Dieselmotors 4 Null beträgt. Die zuvor beschriebene Diagnoseprozedur funktioniert bei stehenden als auch bei laufendem Dieselmotor 4
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Als letzter Fall wird die aufgeheizte Glühstiftkerze 2 betrachtet, welche sich in einem stationären Temperatur-Widerstands-Betrieb befindet. Dabei wird die Diagnose in bestimmten Arbeitspunkten des Dieselmotors 4 aktiviert. Dazu müssen Bedingungen für diese Arbeitspunkte definiert werden, da der Dieselmotor 4 nur in statischen Zuständen arbeiten soll. Zu diesen Bedingungen zählen beispielsweise, dass die Diagnose im Leerlauf des Dieselmotors 4 durchgeführt wird oder wenn die Drehzahl n des Dieselmotors 4 kleiner als ein Wert x Umdrehung/Minute ist. Ein statischer Arbeitspunkt des Dieselmotors 4 liegt auch vor, wenn die Einspritzmenge q kleiner als y mg/Hub ist. Es kann auch geprüft werden, ob das instationäre Temperaturmodell aktiv ist, was bedeutet, dass in der Aufheizphase der Glühstiftkerze 2 keine Diagnose stattfindet. Weiterhin kann bewertet werden, ob die Entprellzeit abgelaufen ist, d.h. ob das Einschwingen zwischen Temperatur und Widerstand der Glühstiftkerze 2 erfolgt ist. Auch hier wird die Diagnose nur durchgeführt, wenn die Entprellzeit abgelaufen ist.
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Ist mindestens eine dieser Bedingungen der Stationarität erfüllt, wird die Regeleinheit 17 auf stationäre Diagnose umgeschaltet. Die Regeleinheit 17 stellt die Solltemperatur Tsoll ein. Entspricht der eingelernte mathematische Zusammenhang MF der tatsächlich in dem Dieselmotor 4 verbauten Glühstiftkerze 2, so muss die Regeleinheit 17 bei konstantem Betrieb des Dieselmotors 4 nicht oder nur gering in die Temperaturregelung eingreifen, wodurch sich ein geringer Reglerstellwert ergibt. Dieser Reglerstellwert kann beispielsweise eine Spannung UDiff von weniger als 0,5 V betragen, da die Vorsteuerspannung optimal in diesem Betriebspunkt zu der Glühstiftkerze 2 und den Randbedingungen passt. Stimmt der gespeicherte mathematische Zusammenhang MF nicht mit der eingebauten Glühstiftkerze 2 überein, was bei einem Wechsel der Glühstiftkerze 2 der Fall ist, so muss die Regeleinheit 17 signifikant in die Temperaturregelung eingreifen und der Reglerstellwert ändert sich entscheidend (UDiff >> 0,5V). Wird eine solche Erhöhung des Reglerstellwertes detektiert, werden Ersatzfunktionen eingeleitet und ein Austausch der Glühstiftkerze 2 detektiert. Aufgrund des Austausches der Glühstiftkerze 2 werden beim nächsten Nachlauf des Glühzeitsteuergerätes 5 bzw. des Motorsteuergerätes 5 neue Parameter zum Einlernen des mathematischen Zusammenhanges MF der Temperatur und des Widerstandes der aktuell in dem Dieselmotor 4 verbauten Glühstiftkerze 2 bereitgestellt. Somit wird die Temperaturregelung jederzeit auf die tatsächlich sich aktuell im Brennraum 3 des Dieselmotors 4 befindliche Glühstiftkerze 2 abgestellt, was eine hohe Regelgüte nach sich zieht.
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Ist die Stationarität nicht gegeben, so wird die Regeleinheit 17 auf instationäre Diagnose umgeschaltet. Hierbei werden zu jedem Zeitpunkt, unabhängig ob ein stationärer oder instationärer Motor- und/oder Glühstiftkerzenbetrieb vorliegt, aktuelle elektrische Parameter z.B. Iist, Rist, Pist, Eist, Uist der Glühstiftkerze 2 oder aktuell identifizierte Glühstiftkerzenmodellparameter mit modellierten Größen der Glühstiftkerze (z.B. U, I, R, P, E) bzw. mit Referenzmodellparameter verglichen. Modellparameter der Glühstiftkerze 2 sind dabei Verstärkungsfaktoren, Phaseninformationen, Totzeiten und Zeitkonstanten. Die Referenzmodellparameter werden beim Einlernen der Glühstiftkerze 2 aus den Größen wie z.B. U, I, P, R, E, t gewonnen. Die Modellparameter im dynamischen Betrieb können immer wieder neu identifiziert werden und mit den Referenzwerten verglichen werden. Im Gegensatz zu den vorangestellten Verfahrensausprägungen kann das dynamische Diagnosemodell im stationären als auch instationären Motor- und Glühstiftkerzenbetrieb eingesetzt werden. Der mathematische Zusammenhang (MF) zwischen gemessenen Temperaturen (Tist) und gemessenen Widerständen (Rist) der Glühstiftkerze (2) kann mittels des dynamischen Diagnosemodell, ohne einen Referenzbetrieb anzufahren, rekonfiguriert werden. Hierdurch ist ein sicherer Betrieb der Glühstiftkerze 2 bei gleichzeitig bester Leistungsfähigkeit und minimalen Einschränkungen gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040971 A1 [0002]