Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Tempera- tur einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, bei welchem mittels einer, an der Glühstiftkerze anliegenden Ansteuerspannung die Glühstiftkerze auf einer vorgegebenen Temperatur annähernd konstant gehalten wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Glühstiftkerzen, welche in Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches und Beibehaltung eines komfortablen Startverhaltens eingesetzt werden, werden im kalten Zustand vorgeglüht, bevor ihre Temperatur so hoch ist, dass es für die Zündung des Kraftstoff- Luft-Gemisches ausreicht. Die Glühstiftkerze weist dazu ein aus Keramik oder Metall bestehendes Heizelement auf, welches in einer kurzen Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden mit einer überhöhten Heizspannung beaufschlagt wird, so dass die Glühstiftkerze zu diesem Zeitpunkt über einer Nominalspannung betrieben wird. Nach Abschluss dieser sogenannten Push-Phase hat die Spitze der Glühstiftkerze eine Temperatur von über 1000° C erreicht, die, um eine zuverlässige Verbrennung des Kraftstoffes in der Startphase des Verbrennungsmotors zu realisieren, noch annähernd weitere 20 Minuten auf einer einmal erreichten Temperatur gehalten werden muss.

Allerdings haben sich ändernde Betriebsgrößen wie die Motorlast und der Ladedruck Auswirkungen auf das Temperaturverhalten der Glühstiftkerze, so dass diese immer wieder auskühlt, was durch die Steuerung oder Regelung der Glüh- stiftkerze ausgeglichen werden muss. Bei einer solchen Steuerung oder Regelung wird immer der aktuelle Betriebszustand des Verbrennungsmotors berücksichtigt, weshalb die Steuerung oder Regelung von Betriebszustand zu Betriebszustand optimiert werden muss.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche das Auskühlverhalten der Glühstiftkerze in einem weiten Betriebsbereich korrigiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuerung oder Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von einem, in dem Verbrennungsmotor auftretenden Druck und/oder einer an oder in dem Verbrennungsmotor auftretenden Temperatur erfolgt. Somit erfolgt die Steuerung bzw. Regelung unabhängig vom Betriebsmodus des Verbrennungsmotors. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Temperatur der Glühstiftkerze unabhängig davon korrigiert wird, ob sich der Verbrennungsmotor in einem Normalbetrieb oder einem Partikelfilterregenerationsbetrieb befindet, in welchem der volle Filter bei einem bestimmten Betriebspunkt ausgebrannt wird, um den Betrieb des Verbrennungsmotors aufrecht zu erhalten. In jedem Betriebsmodus erfolgt die Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze in einer Varianz von einem sich im Leerlaufzustand befindenden Verbrennungsmotor bis zu einem unter Volllast laufenden Verbrennungsmotors mit Hilfe derselben Betriebsgrößen. Die Temperatur der Glühstiftkerze wird dabei zuverlässig in einem Bereich von 900° bis 1 100°C geregelt bzw. gesteuert. Dabei wird eine komfortable Verbrennung in der Startphase des Verbrennungsmotors realisiert und die Güte der Regelung bzw. Steuerung verbessert.

Die Steuerung bzw. Regelung der Temperaturänderung korrigiert eine Auskühlung der Glühstiftkerze somit infolge von sich ändernden Motor- und Umgebungsbedingungen. Dadurch wird nicht nur eine sehr einfache Korrektur des Auskühlverhaltens der Glühkerze realisiert, sondern auch eine sehr genaue Regelung des Glühstiftkerzentemperatur ermöglicht, da genau auf die Parameter in der Regelung zurückgegriffen wird, die das Temperaturverhalten der Glühstiftkerze im Brennraum beeinflussen. Durch die Berücksichtigung der Druckverhältnisse wird die Korrektur des Auskühlverhaltens der Glühstiftkerze genauer, da sich der Druck im Verbrennungsmotor je nach der jeweiligen Position des Zylinders des Verbrennungsmotors än- dert. Auf Grund des unterschiedlichen Druckes variiert auch die Geschwindigkeit, mit welchem der zu entzündende Kraftstoff an der Glühstiftkerze vorbei strömt und dabei die Glühstiftkerze abkühlt.

Zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze erlaubt die Verwendung der an oder im Verbrennungsmotor auftretenden Temperatur eine genaue Bestimmung der tatsächlichen Temperatur der Glühkerze, weshalb für die Regelung die Korrekturwerte einfach abgeleitet werden können.

Besonders einfach wird die Glühstiftkerzentemperatur korrigiert, wenn als Druck ein Saugrohrdruck und/oder ein effektiver Mitteldruck zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze verwendet werden. Da der Saugrohrdruck bereits als Parameter für andere Regelungsprozesse im Verbrennungsmotor gemessen wird, steht dieser jederzeit zur Verarbeitung bei der Temperaturregelung bzw.

-Steuerung für die Glühstiftkerze zur Verfügung. Damit wird eine sehr kosten- günstige Lösung realisiert, da auf einen zusätzlichen Drucksensor verzichtet werden kann. Der effektive Mitteldruck stellt einen Mittelwert aus allen in einem Zylinder auftretenden Druckverhältnissen über einem Arbeitsspiel dar. Er kann alternativ aber auch durch die Motorleistung oder die Einspritzmenge oder das Drehmoment ersetzt werden.

Ferner wird zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze eine Motordrehzahl verwendet, da aus dieser Rückschlüsse über die tatsächlich im Verbrennungsmotor stattfindenden Verbrennungen und somit über die auftretenden Temperaturen gezogen werden können, die die Temperatur der Glühstiftkerze unmittelbar beeinflussen.

In einer weiteren Ausführungsform wird als in/oder am Verbrennungsmotor auftretende Temperatur eine Saugrohrtemperatur und/oder eine Zylinderkopftemperatur zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze herangezogen. Insbeson- dere die Zylinderkopftemperatur ist für die Korrektur der Temperatur an der

Glühstiftkerze von besonderer Bedeutung, da die Glühstiftkerze am Zylinderkopf angebracht ist und dieser der Teil des Verbrennungsmotors ist, welcher bei den Verbrennungen am heißesten wird. Mit der Verarbeitung der Zylinderkopftemperatur ist daher eine sehr genaue Temperaturregelung bzw. -Steuerung der Glühstiftkerze einstellbar.

In einer anderen Ausbildung wird zur Regelung oder Steuerung der Temperatur der Glühstiftkerze ein Zeitpunkt einer Einspritzung des Kraftstoffs berücksichtigt. Der Zeitpunkt der Einspritzung ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil sich mit der Einspritzung die Wärmeentwicklung in den Zylindern des Verbrennungsmotors verändert, welche insbesondere davon abhängt, ob viel oder wenig Kraftstoff verbrannt wird. Durch die sich dabei ausbildende Umgebungstemperatur um die Glühstiftkerze ergibt sich eine unmittelbare Beziehung zu deren Abkühlverhalten, weshalb dieser Einspritzzeitpunkt bei der Korrektur der Glühstiftkerzen- temperatur zur Verbesserung der Güte beiträgt.

In einer Weiterbildung wird zur Steuerung oder Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze eine zur Verbrennung vorhandene Masse an Frischluft berücksichtigt. Da von der Menge der in den Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführten Frischluft abhängt, wie die Verbrennung abläuft und welche Temperaturen und Verwirbelungen sich dabei entwickeln, wird auch die in den Brennraum ragende Glühstiftkerze von der Frischluftmasse in ihrem Abkühlverhalten beein- flusst. Die Berücksichtigung der Frischluftmasse bei der Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze verbessert somit das Korrekturverhalten.

In einer weiteren Variante wird zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze die Stellung einer Drallklappe berücksichtigt. Mittels der Drallklappe wird der Verbrennungsluft eine Bewegung aufgezwungen, wodurch die Luftzufuhr zum Kraftstoff verbessert wird. Dadurch werden Verwirbelungen im Brennraum hervorgerufen, die Einfluss auf den Verbrennungsvorgang haben, was unterschiedliche Wärmeentwicklungen nach sich zieht. Solche unterschiedlichen Wärmeentwicklungen haben Auswirkungen auf das Auskühlverhalten der Glühstiftkerze. Eine Berücksichtigung der Öffnung der Drallklappe erhöht daher die Genauigkeit der Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze. Vorteilhafterweise werden die zur Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze verwendeten Motor- und Umgebungsgrößen priorisiert. Eine solche Priorisierung bewirkt, dass die für die Korrektur verwendeten einzelnen Motor- und Umgebungsgrößen einen unterschiedlichen Einfluss auf die einzustellende Glühstift- kerzentemperatur haben, wodurch die Genauigkeit der Regelung bzw. Steuerung verbessert wird.

In einer Ausgestaltung werden die Druckverhältnisse und die Motordrehzahl in eine ersten Klasse mit einer obersten Priorität zusammengefasst, die Temperaturverhältnisse der Brennkraftmaschine, der Zeitpunkt des Beginns der Einspritzung des Kraftstoffs und die Masse an Frischluft in einer zweiten Klasse mit einer mittleren Priorität und die Stellung der Drallklappe in einer Klasse mit einer niedrigen Priorität zusammengefasst.

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur einer Glühstiftkerze in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, bei welchem mittels einer, an der Glühstiftkerze anliegenden Ansteuerspannung die Glühstiftkerze auf einer vorgegebenen Temperatur annähernd konstant gehalten wird. Um das Auskühlverhalten der Glühstiftkerze in einem weiten Betriebsbereich korrigieren zu können, sind Mittel vorhanden, mittels welcher die Steuerung oder Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von einem, in dem Verbrennungsmotor auftretenden Druck und/oder einer an oder in dem Verbrennungsmotor auftretenden Temperatur erfolgt. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Korrektur der Glühstiftker- zentemperatur bzw. des Auskühlverhaltens der Glühstiftkerze unabhängig vom jeweiligen Betriebsmodus des Verbrennungsmotors genauer und einfacher zu gestalten ist. In jedem Betriebsmodus, ob Normalbetrieb oder Partikelfilterrege- nerationsbetrieb, erfolgt eine Korrektur der Temperatur der Glühstiftkerze mit hoher Güte von einem sich im Leerlaufzustand befindenden Verbrennungsmotor bis zu einem unter Volllast laufenden Verbrennungsmotors. Die Temperatur der Glühstiftkerze wird dabei zuverlässig in einem Bereich von 900° bis 1 100°C geregelt. Dabei wird eine komfortable Verbrennung in der Startphase des Verbrennungsmotors realisiert.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.

Es zeigt: Figur 1 : Prinzipdarstellung eines Glühsystems in einem Kraftfahrzeug

Kalte Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, benötigen bei Umge- bungstemperaturen von < 40°C eine Starthilfe zur Zündung des in den Dieselmotor eingeleiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Als Starthilfe werden dann Glühsysteme eingesetzt, welche aus Glühstiftkerzen, einem Glühzeitsteuergerät und einer Glühsoftware, welche in einem Motorsteuergerät oder dem Glühzeitsteuergerät abgelegt ist, bestehen. Außerdem werden Glühsysteme auch zur Verbesse- rung der Emissionen des Fahrzeuges genutzt. Weitere Einsatzgebiete des Glühsystems bestehen im Brennerabgassystem, bei der Standheizung, bei der Vorwärmung von Kraftstoff (Flex Fuel) oder der Vorwärmung des Kühlwassers.

Figur 1 zeigt ein solches Glühsystem 1 , bei welchem mehrere Glühstiftkerzen 2a bis 2n vorhanden sind, wobei jede Glühstiftkerze 2a bis 2n in jeweils einen Zylinder eines nicht weiter dargestellten Brennraumes des Dieselmotors ragt. In Figur 1 sind die Glühstiftkerzen 2a bis 2n der Einfachheit halber als Ersatzwiderstand dargestellt, welche an die Masse 3 des Dieselmotors führen. Die Glühstiftkerzen 2a bis 2n sind mit einem Glühzeitsteuergerät 4 verbunden, welches für jede Glühkerze 2a bis 2n einen Leistungshalbleiter 5a bis 5n aufweist. Das Glühzeitsteuergerät 4 umfasst einen MikroController 4a und/oder einen Asic zur Verarbeitung ein - und ausgehender Signale. Weiterhin ist eine Bordnetzspannung 6 mit dem Glühzeitsteuergerät 4 verbunden, welche die Glühstiftkerzen 2a bis 2n über die Leistungshalbleiter 5a bis 5n mit jeweils einer

Nennspannung von beispielsweise 1 1 V versorgt. Das Glühzeitsteuergerät 4 führt an ein Motorsteuergerät 7, welches wiederum mit dem nicht weiter dargestellten Dieselmotor verbunden ist. Zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die Glühstiftkerze 2a bis 2n in einer Aufheiz-Phase, die 1 bis 2 Sekunden dauert, durch das Anlegen einer Überspannung durch das Glühzeitsteuergerät 4 vorgeheizt. Die elektrische Energie, die den Glühstiftkerzen 2a bis 2n durch das Glühzeitsteuergerät 4 sequentiell zugeführt wird, wird in dem Heizelement der jeweiligen Glühstiftkerze 2a bis 2n in Wärme umgewandelt, weshalb die Temperatur in dem Heizelement steil ansteigt. Diese elektrische Energie wird aus der Bordnetzspannung und dem sich in Abhängigkeit des Widerstandes der Glühstiftkerze 2a..2n ergebenden Strom gebildet. Der Kraftstoff wird an dem Heizelement der jeweiligen Glühkerze 2a bis 2n, welche beispielsweise aus einem aus Metall bestehenden Glührohr oder einem Keramikheizer besteht, vorbeigeleitet und erwärmt sich dabei. Verbunden mit einer Ansauglufterwärmung während des Verdichtertaktes des Dieselmotors wird die Entflammungstemperatur des Kraftstoff- Luft-Gemisches erreicht.

Die Glühstiftkerzen 2a bis 2n weisen verschiedene Glühphasen auf. Wie bereits dargestellt, wird in einer Aufheiz-Phase, der Push-Phase, der kalten Glühstiftkerze 2a bis 2n eine Push-Spannung zugeführt, welche oberhalb der Nennspannung der Glühstiftkerze 2a bis 2n liegt. Während dieses kurzen Zeitraumes wird die Glühstiftkerze auf annähernd 1000°C erhitzt. An diese Aufheiz-Phase schließt sich die Phase einer stationären Temperatur der Glühstiftkerze 2a bis 2n an.

Um die stationäre Temperatur der jeweiligen Glühstiftkerze 2a bis 2n beizubehalten, versorgt das Glühzeitsteuergerät 4 jede Glühkerze 2a bis 2n mit einer Spannung, welche geringer ist, als die Bordnetzspannung, die von der Batterie 6 des Kraftfahrzeuges bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck werden in dem Glühzeitsteuergerät 4 die Leistungshalbleiter 5a bis 5n, die den Glühstiftkerzen 2a bis 2n vorgeschaltet sind, mittels des Verfahrens der Pulsweitenmodulation angesteuert. Dieses Verfahren ermöglicht, dass die Bordnetzspannung, welche den Leistungshalbleitern 5a bis 5n zugeführt wird, von dem Glühzeitsteuergerät 4 so moduliert wird, das eine gewünschte Spannung im zeitlichen Mittel an den Glühkerzen 2a bis 2n anliegt, wodurch die stationäre Temperatur der Glühstiftkerzen 2a bis 2n, auf beispielsweise 1000 °C, gehalten wird.

Die Vorgabe der Temperatur, auf weiche die Glühstiftkerze 2a bis 2n geregelt bzw. gesteuert werden soll, erfolgt dabei durch das Motorsteuergerät 7. Dabei berücksichtigt das Motorsteuergerät 7 verschiedene Motorbetriebsgrößen. So werden zur Bestimmung der Glühstiftkerzentemperatur der Saugrohrdruck, die Motordrehzahl und ein effektiver Mitteldruck herangezogen, welcher sich als Mittelwert aus den Druckschwankungen ergibt, die sich bei der Bewegung der Zylinder im Brennraum des Verbrennungsmotors einstellen. Alternativ können zum effektiven Druckmittelwert aber auch die Motorleistung bzw. die Einspritzmenge an Kraftstoff oder das Drehmoment des Verbrennungsmotors genutzt werden. Alle diese genannten Motorbetriebsgrößen gehen mit der höchsten Priorität in die Bestimmung der Glühstiftkerzentemperatur ein, auf welche die Glühstiftkerzen geregelt werden sollen.

In einer zweiten Gruppe berücksichtigt das Motorsteuergerät 7 die Saugrohrtemperatur und die Zylinderkopftemperatur. Darüber hinaus werden als Korrekturgrößen in dieser Gruppe der Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung des Kraftstoffes oder ganz allgemein der Ansteuerbeginn der Einspritzungen berücksichtigt. Alternativ können aber auch der Ansteuerbeginn für die Vor,- Haupt- und Nacheinspritzung separat herangezogen werden. Weiterhin wird die Frischluftmasse berücksichtigt, die aber auch durch die AGR-Masse (Abgasrückführung) bzw. die Frischluft- bzw. AGR-Rate ersetzt werden kann. Dieser zweiten Gruppe von Betriebsgrößen kommt eine mittlere Priorität bei der Bestimmung der einzustellenden Glühstiftkerzentemperatur zu, die geringer ist als die Priorität, welche der ersten Gruppe von Betriebsgrößen zuerkannt wird.

Die Stellung der Drallklappe wird ebenfalls bei der Temperaturregelung der Glühstiftkerzentemperatur berücksichtigt, allerdings nur mit der geringsten Priorität, weshalb sie auch einer dritten Gruppe von Betriebsgrößen zugeordnet ist.

Die Berücksichtigung der Vielzahl von verschiedenen Betriebsgrößen mit unterschiedlicher Wichtung führt zu einer Verbesserung der Güte bei der Korrektur der Glühstiftkerzentemperatur. Da diese Betriebsgrößen für andere Steuer- und Regelprozesse des Verbrennungsmotors schon berücksichtigt werden, kann einfach auf diese Betriebsgrößen zurück gegriffen werden, ohne dass ein zusätzlicher gerätetechnischer Aufwand in Form von Sensoren notwendig ist.