DE10147675A1

DE10147675A1 - Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10147675A1
Application number: DE10147675A
Authority: DE
Inventors: Guenther Uhl; Olaf Toedter; Heinz-Georg Schmitz
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-30
Also published as: US6712032B2; KR20030027745A; JP2003120932A; EP1298321A2; US20030127450A1; EP1298321A3

Abstract

Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, beispielsweise der Glühkerze einer Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur. Um eine Überhitzung des Heizelementes für den Fall zu vermeiden, daß die Anfangstemperatur über der Vorgabetemperatur liegt, von der üblicherweise ausgegangen wird, wird die tatsächliche Anfangstemperatur des Heizelementes zunächst ermittelt und wird dem Heizelement eine elektrische Energiemenge zugeführt, die von der Höhe der ermittelten Anfangstemperatur abhängt. In dieser Weise wird bei höheren Anfangstemperaturen die zugeführte elektrische Energiemenge reduziert, so daß eine Überhitzung des Heizelementes auf eine Temperatur, bei der eine Beschädigung auftreten kann, vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze einer Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur.

Um ein elektrisches Heizelement, wie beispielsweise eine Glühkerze in Stahl- oder Keramikausführung oder ein anderes Heizelement, wie beispielsweise einen Zuheizer oder einen Heizflansch, schnell auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, wird üblicherweise das Heizelement für eine begrenzte Zeitdauer mit einer Spannung betrieben, die über der Betriebs- oder Auslegungsspannung des Heizelementes liegt. Dabei ist die Auslegungsspannung eines Heizelementes diejenige Spannung, bei der das Heizelement im stationären Zustand seine Betriebsparameter, insbesondere seine gewünschte oder notwendige Oberflächentemperatur, erreicht hat und beibehält. In der Regel ist in diesem stationären Zustand die abgegebene thermische Leistung gleich der aufgenommenen elektrischen Leistung.

Der Aufheizvorgang unterscheidet sich somit vom stationären Betriebszustand dadurch, daß dem Heizelement für eine begrenzte Zeit eine höhere Leistung zugeführt wird. Das ist erforderlich, da das Heizelement eine massebehaftete Anordnung darstellt und somit eine Wärmekapazität bildet. Diese Wärmekapazität muß beim Aufheizen gefüllt werden. Dazu ist eine bestimmte Energiemenge erforderlich, die während des Aufheizvorganges dem Heizelement zusätzlich zugeführt werden muß. Durch diese zusätzliche Energiemenge erhöht sich während des Aufheizvorganges die Temperatur des Heizelementes von seiner Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur.

Wenn allerdings die durch die Auslegung des Heizelementes bestimmte Betriebstemperatur sehr hoch ist und nur noch eine geringe Temperaturdifferenz zur Schmelztemperatur des Materials des Heizelementes besteht, wenn beispielsweise bei einer Glühkerze die Betriebstemperatur bei 1200°C und die Schmelztemperatur bei 1400°C liegen, besteht die Gefahr, daß während des Aufheizvorganges zuviel Energie zugeführt wird und sich dadurch das Heizelement auf eine Temperatur aufheizt, die über der Betriebstemperatur liegt. Wird dabei die Schmelztemperatur des Heizelementes erreicht, wird das Heizelement zerstört. Zu einer Beschädigung des Heizelementes kommt es in der Regel allerdings bereits, wenn die Temperatur des Heizelementes in den Bereich der Schmelztemperatur kommt, das heißt wenn beispielsweise die erreichte Heizelementtemperatur nur noch 100 K unter der Schmelztemperatur liegt.

Das oben beschriebene Problem, daß während des Aufheizvorganges dem Heizelement zuviel Energie zugeführt wird, kann dadurch auftreten, daß sich das Heizelement am Anfang des Aufheizvorganges nicht auf einer angenommenen Anfangstemperatur sondern auf einer Temperatur befunden hat, die höher ist, allerdings unter der Betriebstemperatur liegt. Da die für das Aufheizen benötigte Energie von der Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der Anfangstemperatur abhängt, wird dann dem Heizelement zuviel Energie zugeführt und wird dieses somit auf eine Temperatur gebracht, die über der Betriebstemperatur liegt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine Überhitzung des Heizelementes, das heißt ein Aufheizen des Heizelementes auf eine über der Betriebstemperatur liegende Temperatur vermieden werden kann, bei der das Heizelement beschädigt oder sogar zerstört wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt wird und dem Heizelement zum Aufheizen elektrische Energie zugeführt wird, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt, so daß unter Heranziehung der gegebenen Betriebstemperatur die zu überwindende Temperaturdifferenz und damit die elektrische Energie bestimmt werden kann, die erforderlich ist, um das Heizelement von der ermittelten Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur zu bringen. Eine Überhitzung kann dadurch ausgeschlossen werden.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 in einem Diagramm die am Heizelement liegende Spannung und die Temperatur des Heizelementes in Abhängigkeit von der Zeit und
Fig. 2 das Schaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird üblicherweise beim Aufheizen eines elektrischen Heizelementes über eine bestimmte Zeit t_A an das Heizelement eine Spannung U_B2 gelegt, die über der Spannung U_B1 liegt, die im stationären Zustand am Heizelement liegt. Dadurch erhöht sich die Temperatur gemäß Fig. 1 ausgehend von einer Anfangstemperatur T₀₁ auf die Betriebstemperatur T_B.
Wie es in Fig. 1 weiterhin dargstellt ist, kann es in dem Fall, in dem die Anfangstemperatur höher als T₀₁ ist, beispielsweise bei T₀₂ liegt, vorkommen, daß bei gleicher zugeführter elektrischer Energie das Heizelement auf die Temperatur T_S aufgeheizt wird, die über der Betriebstemperatur T_B liegt. Wenn diese Temperatur nahe an der Schmelztemperatur des Materials des Heizelementes liegt oder die Schmelztemperatur sogar erreicht, kommt es zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Heizelementes.
Um das zu vermeiden wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt und wird das Heizelement zum Aufheizen mit elektrischer Energie versorgt, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt. Wenn daher beispielsweise die Anfangstemperatur T₀₂ ermittelt wird, wird dem Heizelement eine geringere elektrische Energiemenge zugeführt als es der Fall ist, wenn die Anfangstemperatur T₀₁ beträgt. Dadurch wird erreicht, daß auch bei einer Anfangstemperatur T₀₂, die über der Temperatur T₀₁ liegt, sich im Laufe des Aufheizvorganges die Temperatur nur auf die Betriebstemperatur T_B erhöht.
Das heißt im einzelnen, daß zum Aufheizen des Heizelementes von seiner ermittelten Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur das Heizelement für eine bestimmte Zeit auf der höheren Betriebsspannung U_B2 betrieben wird und anschließend nach dieser Zeit die Spannung auf die Betriebsspannung U_B1 reduziert wird. Dabei wird die Zeit, über die das Heizelement mit der höheren Betriebsspannung U_B2 betrieben wird, in Abhängigkeit von der ermittelten Anfangstemperatur bestimmt. Das heißt mit anderen Worten, daß die Spannung U_B2 bei einer höheren Anfangstemperatur T₀₂ nur für eine Zeit zugeführt wird, die unter der Zeit liegt, über die diese Spannung U_B2 anliegt, wenn die Anfangstemperatur gleich dem Vorgabewert T₀₁ ist. Die Zeit, über die die höhere Spannung U_B2 anliegt, wird somit so gewählt, daß eine thermische Überlastung des Heizelementes verhindert wird.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die dem Heizelement zum Aufheizen zugeführte elektrische Energiemenge dadurch in Abhängigkeit von der Anfangstemperatur zu bestimmen, daß die Höhe der Spannung U_B2 entsprechend gewählt wird.
Die beiden Spannungen U_B1 und U_B2 können dadurch erzielt werden, daß als höhere Spannung U_B2 beispielsweise bei einer Glühkerze die Bordnetzspannung des Fahrzeuges gewählt wird und die Betriebsspannung U_B1, die unter dieser Spannung liegt, durch Takten, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, der Spannung U_B2 erzeugt wird. Dadurch wird effektiv die wirksame Spannung, das heißt die Effektivspannung am Heizelement von U_B2 auf U_B1 herabgesetzt.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 2 ist ein elektrisches Heizelement 1 dargestellt. Fast alle elektrischen Heizelemente haben einen temperaturabhängigen Widerstand aufgrund der physikalischen Eigenschaften, beispielsweise des Widerstandstemperaturkoeffizienten ihrer Materialien und/oder ihres inneren Aufbaus. Das gilt für metallische Heizer, Glühkerzen mit Heiz- und Regelwendeln, Zuheizer mit Kaltheizelementen PTC und ähnlichen elektrischen Heizelementen.
Um die Anfangstemperatur des Heizelementes 1 zu ermitteln, wird vor Beginn des Aufheizvorganges dessen elektrischer Widerstand R_T und daraus über den Temperaturkoeffizienten des Materials des Heizelementes die Anfangstemperatur bestimmt. Zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes R_T werden der Strom I_H und die Spannung U_H des Heizelementes gemessen und wird daraus der Widerstand R_T berechnet.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Mikroprozessor 7 mit Analog/Digitalwandler an dem Spannungsabgriffe 4 und 5 auf beiden Seiten eines Messwiderstandes 3 liegen, der über einen Schalter 2 mit dem Heizelement 1 verbunden ist. Der Mikroprozessor 7 legt ein Steuersignal 6 an den Schalter 2, durch das dieser geöffnet und geschlossen wird. Die Betriebsspannung U_B liegt am Messwiderstand 3.

Claims

1. Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt wird und dem Heizelement zum Aufheizen elektrische Energie zugeführt wird, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Leistung an das Heizelement über eine Zeitdauer gelegt wird, die von der Anfangstemperatur abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine konstante Zeitdauer eine Leistung an das Heizelement gelegt wird, die von der Anfangstemperatur abhängt.

4. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an das Heizelement eine Spannung gelegt wird, die über der Betriebsspannung liegt, die nach Erreichen der Betriebstemperatur angelegt wird.