DE102004038011B3 - Glüheinrichtung für ein Fahrzeugzusatzheizgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Glüheinrichtung (32) für ein Fahrzeugzusatzheizgerät (10), mit einem Steuergerät (30) und einem Glühelement (14), wobei in dem Steuergerät (30) ein Eingangsspannungssignal U¶in¶ vorliegt, das ein getaktetes pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal ist, und das Steuergerät (30) einen Glühelementstrom I¶G¶ für das Glühelement (14) bereitstellt. Erfindungsgemäß weist das Steuergerät (30) ein induktives Element (34) auf und das Eingangsspannungssignal U¶in¶ hat eine Taktfrequenz von mindestens etwa 1 kHz, wodurch der Glühelementstrom I¶G¶ eine Sägezahnfunktion aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Glüheinrichtung für ein Fahrzeugzusatzheizgerät.
• Bei bekannten Zusatzheizgeräten für Fahrzeuge wird das Glühelement häufig direkt mit einem getakteten, rechteckförmigen und pulsweitenmodulierten Eingangsspannungssignal mit elektrischer Energie versorgt. Die Regelung der Temperatur des Glühelements erfolgt hierbei durch die Veränderung verschiedener Parameter des getakteten Rechtecksignals. Der mit dem Verlauf des Eingangsspannungssignals verbundene Verlauf des Glühelementstroms weist bei einer direkten Beaufschlagung der Glüheinrichtung mit Rechtecksignalen sehr hohe Spitzen und sehr steile Flanken auf, die sich negativ auf die Lebensdauer der Glüheinrichtung auswirken können.
• Aus der Druckschrift EP 0 437 700 B1 ist beispielsweise eine Einrichtung zur Energieversorgung einer Heizscheibe aus dem Fahrzeugbordnetz bekannt, wobei die Energieversorgung aus dem Bordnetz derart erfolgt, dass an der Heizscheibe eine Wechselspannung bestimmter Frequenz anliegt, wobei die Auswahl dieser Frequenz so erfolgen kann, dass einerseits Polarisationseffekte in der Scheibe vermieden werden, und dass zur Einhaltung der bestehenden Störschutzbestimmungen der Oberwellenanteil dieser Spannung möglichst gering ist. Es wird jedoch als Nachteil empfunden, dass keine deutliche Strombegrenzung stattfindet und die Stromflanken relativ steil sind.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, diese Nachteile zu vermeiden.
• Gelöst wird dies dadurch, dass die Glüheinrichtung für ein Fafahrzeugzusatzheizgerät die Merkmale des Anspruchs 1 hat. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, dass bei einer derartigen Glüheinrichtung durch den Einsatz des induktiven Elements und die Benutzung einer geeigneten Taktfrequenz des Eingangsspannungssignals der durch die Glüheinrichtung fließende Glühelementstrom einer Sägezahnfunktion folgt und dieser Strom deutlich begrenzt wird. Durch die damit verbundenen abgeflachten Stromflanken und den kontinuierlicheren Stromfluss durch das Glühelement steigt die Lebensdauer des Glühelements stark an. Außerdem können nun Glühelemente verschiedener Nennspannung (z.B: 12V, 24V) eingesetzt werden.
• Besonders vorteilhaft ist eine Taktfrequenz zwischen etwa 5 kHz und etwa 20 kHz. Je höher die gewählte Taktfrequenz ist, umso mehr wird der Stromanstieg begrenzt und umso geringer ist die Amplitude und die Restwelligkeit des Stroms, was wiederum zu einer Vergrößerung der Lebensdauer des Glühelements führt.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Die Zeichnung zeigt in:
• 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugzusatzheizgeräts nach dem Stand der Technik,
• 2 den zeitlichen Verlauf des Eingangsspannungssignals U_in einer Glüheinrichtung,
• 3 einen Ausschnitt aus dem Schaltbild einer erfindungsgemäßen Glüheinrichtung,
• 4 den zeitlichen Verlauf des Glühelementstroms I_G im eingeschwungenen Zustand nach dem Stand der Technik und
• 5a–5c den zeitlichen Verlauf des Glühelementstroms I_G gemäß der Erfindung im eingeschwungenen Zustand unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
• Die in 1 gezeigte schematische Darstellung eines Fahrzeugzusatzheizgeräts 10 hat eine Brennkammer 12, in die ein Glühelement 14, das beispielsweise als keramisches Glühelement ausgeführt ist, hineinragt. Die Brennkammer ist von einem Wärmetauscher 15, der von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger durchströmt wird, umgeben. Am Brennkammereintritt 16 befinden sich ein Brennstoffabgabeelement 18, das über eine Brennstoffleitung 20 mit einer Brennstofffördereinrichtung 22 verbunden ist, sowie eine Brennluftfördereinrichtung 24. Durch die Brennstofffördereinrichtung 22 wird Brennstoff, durch die Brennluftfördereinrichtung 24 Brennluft in die Brennkammer 12 eingebracht, wo Brennstoff und Brennluft zu einem brennbarem Gemisch aufbereitet werden, das mit dem Glühelement 14 gezündet und unter Bildung einer Flamme 26 in der Brennkammer 12 verbrannt wird. Die heißen Abgase strömen in Pfeilrichtung zu einem Abgasstutzen 28, wobei sie thermische Energie an den Wärmeträger im Wärmetauscher 15 übertragen.
• Das Fahrzeugzusatzheizgerät ist weiter mit einem Steuergerät 30 ausgestattet, durch welche das Glühelement 14 angesteuert und geregelt wird. Die Kombination von Steuergerät 30 und Glühelement 14 bildet eine Glüheinrichtung 32. An das Steuergerät 30 wird ein Eingangsspannungssignal U_in angelegt, dessen zeitlicher Verlauf in 2 beispielhaft gezeigt ist. Das Eingangsspannungssignal U_in ist ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal mit einer Frequenz entsprechend einer Periode T. Die Periode T ist im Regelfall fest, kann aber für bestimmte Betriebsbedingungen variiert werden. Die Effektivspannung des Eingangsspannungssignals U_in wird durch das Verhältnis der Einschaltzeit t_e zur Ausschaltzeit t_a bestimmt. In 4 ist der zeitliche Verlauf eines durch das Glühelement 14 fließenden Glüh elementstroms I_G bei Glüheinrichtungen nach dem Stand der Technik gezeigt. Die gewählte Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in beträgt hier etwa 10 Hz. Der Glühelementstrom I_G folgt im Stand der Technik dem Eingangsspannungssignal U_in. Die zu Beginn jeder Periode T auftretenden Glühelementstromspitzen I_G,max und die steilen Stromflanken sind deutlich erkennbar. Diese führen zu einer deutlichen Verkürzung der Lebensdauer des Glühelements.
• In 3 ist ein Ausschnitt des grundsätzlichen Schaltungsaufbaus der Glüheinrichtung 32 gezeigt, wobei nur die zur Beschreibung der Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind. Dem Glühelement 14 ist ein induktives Element 34 in Serie geschaltet. Wird nun ein Eingangsspannungssignal U_in mit einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhten Frequenz eingesetzt und der elektrische Widerstand des Glühelements 14 und die Induktivität des induktiven Elements 34 geeignet dimensioniert, so können die im Stand der Technik auftretenden Stromspitzen I_G,max sowie die steilen Stromflanken vermieden werden. Hierfür haben sich beispielsweise bei einem Widerstand des Glühelements 14 von 1 Ohm und einer Induktivität des induktiven Elements 34 von 68 μH Frequenzen des Eingangsspannungssignals U_in von 5 kHz bis 20 kHz als besonders geeignet gezeigt. In den 5a bis 5c ist der zeitliche Verlauf des Glühelementstroms I_G bei unterschiedlichen Frequenzen des Eingangsspannungssignals U_in gezeigt. 5a zeigt den Verlauf des Glühelementstroms I_G bei einer Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in von 3 kHz, 5b bei einer Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in von 6 kHz, 5c bei einer Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in von 10 kHz. Der Glühelementstrom I_G ist ein Gleichstrom mit sägezahnförmigem Oberwellenanteil. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Verhältnis der Glühelementstromspitze I_G,max zum minimalen Glühelementstrom I_G,min bei steigender Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in immer kleiner wird und der Glühelementstrom I_G einen zunehmend glatteren Verlauf erhält. Dementsprechend nimmt die Belastung des Glühelements 14 mit steigender Frequenz des Eingangsspannungssignals U_in immer mehr ab.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass nur noch ein Typ Glühelement 14 mit einer einzigen Nennspannung erforderlich ist, der dann zusammen mit Steuergeräten 30 in Netzen unterschiedlicher Betriebsspannung verwendet werden kann. Diese Reduktion auf einen Glühelementtyp hat zum einen Kostenvorteile zur Folge, zum anderen wird verhindert, dass überhaupt Glühelemente mit falscher Nennspannung eingebaut werden können.

10

Fahrzeugzusatzheizgerät

12

Brennkammer

14

Glühelement

15

Wärmetauscher

16

Brennkammereintritt

18

Brennstoffabgabeelement

20

Brennstoffleitung

22

Brennstofffördereinrichtung

24

Brennluftfördereinrichtung

26

Flamme

28

Abgasstutzen

30

Steuergerät

32

Glüheinrichtung

34

induktives Element

U_in

Eingangsspannungssignal

I_G

Glühelementstrom

T

Periode

Claims (3)

1. Glüheinrichtung (32) für ein Fahrzeugzusatzheizgerät (10), mit einem Steuergerät (30) und einem Glühelement (14), wobei in dem Steuergerät (30) ein Eingangsspannungssignal U_in vorliegt, das ein getaktetes pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal ist, und das Steuergerät (30) einen Glühelementstrom I_G für das Glühelement (14) bereitstellt, wobei das Steuergerät (30) ein mit dem Glühelement (14) in Reihe geschaltetes induktives Element (34) aufweist, und das Eingangsspannungssignal U_in eine Taktfrequenz von mindestens 1 kHz hat, wodurch der Glühelementstrom I_G eine Sägezahnfunktion aufweist.
2. Glüheinrichtung (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz des Eingangsspannungssignals U_in zwischen 5 kHz und 20 kHz ist.
3. Glüheinrichtung (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühelement (14) ein keramisches Glühelement ist.