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F'lammstartanlage
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Die Erfindung bezieht sich au eine Flammstartanlage, insbesondere
für den Kaltstart von selbstzündenden Brennkraftmaschinen, welche einen in der Luft-Ans
augleitung angeordneten, von einer Batterie bzw. dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges
mit elektrischer Energie beaufschlagbaren Mantelheizleiter aufweist und bei der
der Kraftstoff auf den Heizleiter bzw.
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auf dessen Mantel aufgespritzt wird.
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Niedrige Umgebungstemperaturen sind bei selbstzündenden Brennkraftmaschlnen
vielfach die Ursache für Anlaßschwierigkeiten, schlechten Rundlauf und nlaurauchbildung
bei der Verbrennung. Diese negativen ELgenschaften sind letztlich darauf zurückzuführen,
daß die Entflammung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes erschwert wird
durch die relativ niedrige Verdichtungsendtemperatur der komprimierten Ansaugluft.
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Sie resultiert außer der niedrigen Ansauglufttemperatur selbst auch
noch aus dem Entzug von Verdichtungswärme
infolge des WErmetausches
der komprimierten Luft mit den kalten Brennraumwanden. Lange Anlaßzeiten beim Start
können die Folge sein, wobei der dafür benötigte hohe Energleentzug aus der Batterie
seinerseits eine Verringerung der wiederholbaren Starts nach einem mißglückten Anlassen
bedeutet.
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Im Falle des Kurzstreckeneinsatzes von mit selbstzündenden Brennkraftmaschinen
betriebenen Fahrzeugen fl dies wegen der verhältnismäßig lange das erden Regene
rierung der Batterie infolge bisher Aufladezeiten vom Bordnetz her besonders erschwerend
ins tiewieht.
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Diese Nachteile gaben Anlaß ftir 4:e kntwicklung von Starthilfen verschiedenster
Art. Sle sollten alle eine Erhöhung der Anspringwahrscheinlichkeit und eine zeitliche
Verkürzung der Anlaßphase für die Brennkraftmaschine bringen.
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Den meisten dieser Einrichtungen Liegt die Maßnahme zugrunde, die
kalte Ansaugluft im Bereich des Ansaug kanals vorzuwÄrmen. In der Regel wird dazu
ein Teil des mitgeführten Kraftstoffes im Ansaugkana! verbrannt.
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AufwendJgere Vorrichtungen zerstäuben und zünden der unter Druck zugeführten
Kraftstoff, um so eine Ansaugluftvorwarmung zu erzielen. Andere, bereits vorgeschlagene
Geräte erreichen das gleiche Ziel mit eine thermischen Verdampfung und Entflammung
des druckgeförderten und drosseldosierten Kraftstoffes an einem elektrisch vorgeheizten
Mantelheizleiter. Mit einem perforierten Blechmantel oder einem Sieb zur Verbesserung
der Flammhaltung und des Ausbrandes versehen, werden solche elektrische Heizvorrichtungen
als sog.
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Flammglühkerzen auf dem Markt vertrieben.
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Vor dem beabsichtigten Anlassen des Motors wird bei diesen Anlagen
der Mantelheizleiter so lange an die Fahrzeugbatterie geschaltet, bis seine OberflSchentemperatur
Beharrung erreicht hat. Die OberflUchentemperatur ist normalerweise so hoch, daß
sie di bereits erwähnte Verdampfung und Entzündung des Kraftstoffes sicherstellt.
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Um die notwendige Wärmequellendichte am Heizleiter a während des Bordnetzspannungszusammenbruches
beim Anlassen gleich groß zu halten, wird die Nennspannung beim Auslegen des Heizleiters
an der erwarteten, niedrigsten Batteriespannung während der Betätigung des Anlassers
orientiert. Im Zustand des Vorglühens muß daher der Helzlelter mit einem Vorwiderstand
betrieben werden, um trotz höherer Bordnetzspannung gegenüber der Heizleiternennspannung
für den vorbestimmten Nennwärmeumsatz im Heizleiter zu sorgen. Während des Anlassens
wird der Vorwiderstand dann lediglich mittels eines Relaiskontaktes kurzgeschlossen.
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Es handelt sich hierbei um eine technisch einfach zu realisierende
Anlaßhilfe, die sich durch Unkomplizierthelt und Preisgünstigkeit auszeichnet. Nachteilig
ist allerdings die Notwendigkeit einer genauen Abstimmung der Batterie bei der Auslegung
des elekftrischen Anlassers auf die feste Nennspannung des Mantelheizleiters, In
der Praxis neigt man dazu, die Auswahl der Fahrzeugbatterie vorwiegend an den Erfordernissen
des elektrischen Anlaßvorganges zu orientieren, was andererseits bedeutet, daß der
Mantelheizleiter nicht nur mit niedrigeren Nennspannungen als den bisher marktüblichen
verfügbar
sein müßte, sondern überhaupt frexibler auf die keineswegs so reproduzierbaren,
lastabhängigen Spannungsverhältnisse an der Batterie reagieren sollte.
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Er müßte beispielsweise auch in der Lage sein, riiclit wie bisher
praktisch nur als ein System mit konstant eingeprägter Leistung zu reagieren, sondern
er sollte es auch ermöglichen, auf thermodynamische Störgrößen wie Verdampfungswärmeentzug,
beispielsweise durch das Aufspritzen von Kraftstoff auf den Heizleiter bzw.
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dessen Mantel oder durch Kühlung infolge Zwangskontektion über die
Ansaugluft bei erhöhter Leerlaufdrehzah in besserer Weise als bisher zu reagieren.
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Hier setzt die Erfindung ein, der diz Aufgabe zugrunde liegt, bei
einer Flammstertanlage der eingangs beschriebenen Art die Obeiflächectemperatur
des Heizleiters derart zu steuern, daß unabhängig von der Temperatur der Ansaugluft,
des Wärmeentzuges durch Aufspritzen von Kraftstoff oder anderen Einflüssen auch
nach kurzzeitigen Verlöschen der Zündflamme sowohl eine ausreichende Kraftstoffverdampfung
als auch das entzünden des Kraftstoffdampf-Luftgemisches in Jedem Falle gesichert
ist.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannung
der Batterie bzw. des Bordnetzes höher als die Nennspannung des Heizleiters gewählt
wird, daß die Temperatur des Heizleiters von einer den Heizleiter huber einen Nadelimpulsgeber
kurzzeitig intermittierend mit der Batterie bzw. dem Bordnetz verbindenden, aus
einzelnen Schaltgliedern aufgebautenSteuerung derart kontrolliert wird, daß das
Zu- und Abschalten der Batterie bzw. des Bordnetzes zum Aufheizen des Heizleiters
auf seinen Sollwert
durch Messen des von der Temperatur des Hetzleiters
abhängigen spezifischen elektrischen Widerstandes desselben und Vergleichen der
sich dadurch ändernden Spannung mit einer in einem Komparator voreinstellbaren,
den Sollwert darstellenden Spannung erfolgt, und daß der nahezu konstante Sollwert
einer Temperatur des Heileiters entspricht, die geringfügig unter seiner hdchstzulässigen
Grenztemperatur liegt.
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Die Wahl einer höheren Spannung für die Batterie bzw.
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das Bordnet Ist erforderlich, um eine ausreichend hohe elektrische
Spannungsreserve zur Verfügung zu haben, damit ein sog. Spannungszusam1nenbruch
nicht auftreten kann. Erreicht wird dies In der Praxi beispielsweise durch Verwendung
eines handelsüblichen, für 12 V- Bordnetze ausgelegten Mantelheizleiters, der an
ein 24 V- Bordnetz angeschlossen ist. Auf Grund der in der Luft-Ansaugleitung einer
Brennkraftmaschine herrschenden, stark unterschiedlichen Verhältnisse muß natürlich
auch berücksichtigt werden, daß bei einer solchen Auslegung eine Uberbeanspruchung
des Mantelheizleiters nicht auftreten darf, obwohl andererseits zur sicheren Funktion
angestrebt wird, die Temperatur des Mantelheizleiters möglichst hoch und konstant
zu halten. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß man die tatsächliche
Temperatur des Heizleiters laufend mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht, der
geringfügig unter seiner zulässigen Grenztemperatur liegt. Ist dieser Sollwert erreicht,
so wird der Heizleiter Jeweils von der Batterie bzw. dem Bordnetz abgeschaltet,
bis er auf ein bestimmtes, vorher festgelegtes Maß, den unteren Schwellwert, abgekühlt
ist. Danach erfolgt erneut eine Aufheizung.
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Nun ist es andererseits schwer, die Temperatur des in
der
Luftansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Mantelheizleiters laufend
genau genug zu kontrollieren.
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Es mußte daher nach einem Weg bz. nach einer anderen Meßgröße gesucht
werden, durch die eine Kontrolle möglich wird. Es ist bekannt, daß sich je nach
dem zur Anwendung kommenden Material bei Erwärmung desselben auch derWiderstand
ändert, der Ja eine Funktion der Temperatur darstellt. Mit Erhöhen des Widerstandes
ändert sich aber auch die elektrische Spannung. Diese Erkenntnisse wurden in vorliegendem
Falle ausgenutzt, nachdem man teststellte, daß die Widerstandsänderung beL marktgängigen
Mantelheizleiter durchaus in einer Größenordnung und Reproduzierbarkeit anzutreffen
ist, dle bei Wahl einer entsprechend aufgebauten Steuerung eine Kontrolle der Temperatur
erlaubt. Achtet man dabei noch darauf, daß für den Heizleiter ein Material gewählt
wird, welches einen möglichst hohen, positiven Temperaturkoeffizienten aufweist,
so kann die vorstehend grob beschriebene Steuerung mit den heutigen Erkenntnissen
in der Elektronik gelöst werden.
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Durch den neuen Lösungsweg wird die Temperatur des Heizleiters durch
eine intermittierende Kontrolle immer nahezu konstant gehalten und nicht vorhersehbare,
sich immer wieder ändernde Einflüsse wie beispielsweise die Temperatur der Ansaugluft
oder der Wärmeentzug durch Aufspritzen des Kraftstoffes auf den Mantel des Mantelheizleiters
werden Jeweils ausgeglichen. Als weiterer Vorteil ist anzuführen, daß die Vorglühzeit
für den Heizleiter ganz erheblich verkürzt wird.
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Für die Regelung selbst können, nachdem das Prinzip bekannt ist, verschiedene
elektronische bzw. elektrische Bausteine Verwendung finden. In vorliegendem Falle
wird über eine Wheatstonesche Brücke der Widerstand
und damit
die Temperatur des Mantelheizleiters gemessen und die sich daraus ergebende elektrische
Spannung mit einer eingestellten Sollspannung verglichen. Beträgt die Spannung an
den Abgleichpunkten der Brücke "Null", so hat der Mantelheizleiter seine Soll temperatur
erreicht und die Batterie bzw. das Bordnetz wird über einen Komparator abgeschaltet.
Zur laufenden Kontrolle der Abkühlung des Heizleiters ist ein Nadelimpuisgenerator
und ein "Oder"-VerknUpfungsglied vorgesehen, wodurch im stromlosen Zustand des Komparators
einem den Heizleiter nit der Batterie bzw. dem Bordnetz verbindenden Schvltglied
laufend Nadelimpulse zugeführt werden und der Komparator intermittierend die Temperatur
des Heizleiters erfährt.
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Schließlich ist auch noch ein Zeitglied und ein Tiefpaßfilter für
Überbrückungszustände und Anzeigeleuchten für die Funktionskontrolle und die Beendigung
des VorglUhens eingeplant.
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Weitere Einzelheiten der Regelung können der nachfolgendenBeschreibung
eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels entnommen werden. Es
zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuerung, Fig. 2 eine
graphische Aufzeichnung des zeitlichen Temperaturverlaufes am Heizleiter, Fig. 3
eine graphische Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufes der Heiz- und Temperaturabfrage
durch Stromimpulse, Fig. 4 eine graphische Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs
der Verstimmungsspannung über die Meßdiagonale der Brücke
In Fig.
1 ist der veränderliche Widerstand-bzw. der Heizleiter 1 des Mantelheizleiters mit
einem temperaturunabhängigen Leistungswiderstand 2, dessen Widerstand etwa lo bis
308 ds Widerstandes 1 beträgt und der beispielsweise aus Konstantan hergestellt
sein kann, in Serie geschaltet und ergibt, mit einem vergleichsweise hochohmigen
SpannungsteiVer 3 parallelgeschaitet, eine sog. Wheatstonesche Brücke.
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Gespeist wird diese Brücke von einer Batterie bzw.
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vom Bordnetz 4 über einen Betriebsschalter 5 und ein SchaLtmittel
6, welches sowohl durch einen nicht dargestellten Leistungstransistor oder auch
durch ein Relais geeigneter Bauart realisiert werden kann. Durch Schließen des Schaltmittels
6, beispielsweise ausgelöst durch den Befehl "VorglUhen', was später noch erläutert
wird, erhält die sog. Speisediagonale 7, 8 der Brücke Spannung. Der einsetzende
Stromfluß führt im Heizleiter 1 zu einer sehr raschen Erwärmung, die zwangsläufig
umso schneller erfolgt, je höher die Batterie- bzw.
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Bordnetzspannung gegenüber der Nennspannung des Heizleiters 1 ist.
Der positive Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstandes des
Heizleitermaterials bewirkt mit zunehmender Erhitzung des HeizleLters l eine Verringerung
der Spannungodifferenz tu zwischen den Punkten 9, lo der sog. Meßdiagonale der Wheatstoneschen
Brücke 1, 2, 3. Da die Spannungsdifferenz au ein Abbild der Temperatur des Heizleiters
l darstellt, signalisiert sie bei einem entsprechenden Abgleich des Spannungsteilers
bzw. Potentiometers 3, welches bei einer Serienfertigung durch zwei einzelne Festwiderstände
ersetzt werden kann, zugleich das Erreichen der oberen, zulässigen Temperatur des
Heizleiters 1 mit dem Spannungswert flNullr, bei dem ein Abschalten des Heizleiters
1 vom Bordnetz 4 erfolgen muß.
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Das Abschalten gelingt mit Hilfe eines hysteresebehafteten Komparators
11, der die notwendigen Schaltbefehle für das Schaltmittel (realisiert durch Leistungstransistor
oder Rel@@s differenz ~ u so abzuleiten gestattet, daß ein ?.eitverhalten der Steuerung
gemäß Fig. 4 sichergestellt ist. Entsprechend den Fig. 2 und 3 liefert der Xom1arator
11 dem Schaltmittel 6 immer nur dann einem; Einschaltbefehl, wenn die Temperatur
des Heizleiters 1 eine festgelegte untere Grenze, die der am Komparator 11 eingestellten
Einschaltschwelle entspricht, erreicht hat. Bestehen bleibt der Einschaltbefehl
so lange, bis die stetig zunehmende Temperatur des Heizleiters 1 den oberen Grenzwert
erreicht, der ebenfalls vorher manuell als sog. Ausschaltschwelle am Komparator
11 eingestellt wurde.
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Die bei Überschreiten der Ausschaltschwelle erfolgende Abschaltung
des Heizleiters 1 und damit auch der Brücke 1, 2, 3 vom Bordnetz 4 macht den Komparator
11 an seiner Eingangsseite lla zunächst spannungslos, d.h. die Steuerung würde,
da ihr Jegliche Information über den Temperaturzustand des Heizleiters 1 fehlt,
aus regelungstechnischen Gründen inaktiv werden.
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Ein solches Informationsdefizit wird Jedoch dadurch ausgeglichen,
daß dem Ausgang llb des Komparators 11 ein "Oder"-VerknUpfungsglied 12 nachgeschaltet
ist, an das eingangsseitig ein parallel zum Komparator 11 geschalteter, freilaufender,
frequenzkonstant arbeitender, astabiler Multivibrator oder Nadelimpulsgenerator
15 angekoppelt wird, der ständig Nadelimpulse aussendet.
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Während der Zeit, in der der Komparator 11 eingangsseitig spannungslos
ist, sorgen die Nadelimpulse für ein periodisches Durchsteuern des Schaltmittels
6 entsprechend der Nadelimpulsdauer und der Impulsfolgefrequenz und melden gleichzeitig
dem Komparator 11 intermittierend den Temperaturzustand des Heizleiters 1.
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Hat die Spannungsdifferenzd u zwischen den Punkten 9, lo infolge zunehmender
Abkühlung des Heizleiters 1 den Wert der Einschaltschwelle des Komparators 11 angenommen,
so liefert dieser wieder ein Einschaltsignal für das Schaltmittel 6, und zwar so
lange, bis der Heizleiter 1 seine obere zulässige Temperaturgrenze erreicht hat.
An der Ausschaltschwelle unterbricht der Komparator 11 die Heizphase. Das Spiel
wiederholt sich endlos, unabhängig davon, welche thermodynamischen Störgrdßen auf
den Heizleiter 1 einwirken, wie beispielsweise der Verdampfungswärmeentzug beim
Aufspritzen des Kraftstoffes auf den Mantel des Mantelheizleiters oder die Kühlung
des Heizleiters 1 durch den Ansaugluftstrom der Brennkraftmaschine.
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Ein Maß für die Regelgüte des Heizleiters 1 stellt natürlich die Welligkeit
beim Stabilisierungsvorgang dar. Es versteht sich von selbst, daß die Regelgüte
mit geringer werdender Schwankungsbreite der "Istwert"-Temperatur steigt, was durch
kleinere Hysterese des Komparators 11 erzielbar ist. Allerdings muß sie meist mit
größerem Aufwand beim Komparator 11 erkauft werden und zwar durch hohe Driftarmut.
Zugleich stellen sich infolge der höheren Schaltfolgefrequenz auch höhere Anforderungen
an das Schaltmittel 6 ein.
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Hinsichtlich der Folgefrequenz des Nadelimpulsgenerators
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gilt, daß diese ein Vielfaches der Ein- und Ausschalt-Folgefrequenz der Heizstromimpulse
für den Heizleiter 1 sein muß. Bezüglich des Tastverhältnisses, das ist das Verhältnis
zwischen der Impulsdauer und dem Impuleabstand, der peziodischen Nadelimpulse, ist
sicherzustellen, daß der Beitrag dieser "Temperatur-Abfrageimpulse zum Beheizen
des Heizleiters 1 kleiner s-in muß als der kleinste, ,jeweils auftretende Wärmeverlust
am Heizleiter 1. Verluste dieser Art sind beispielsweise die Wärmeabfuhr infolge
natürlicher Konvektion (Vorglühphase) oder die Verluste bei brennendem Mantelheizleiter
im Ansaugluftstrom bei Anlasserdrehzahl.
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Gemäß Fig. 1 ist ferner noch eine Glühlampe 14 parallel zum Heizleiter
1 und zum Leistungswiderstand 2 geschaltet, die eine Kontrolle für das Funktionieren
der Steuerung darstellt und für die Dauer des Anstehen des Heizlelstungsimpulses
am Heizleiter I hell aufleuchtet.
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Die Beendigung der Vorglühphase, die gleichbedeutend mit der Startbereitschaft
der Brennkraftmaschine ist, signalisiert eine Glühlampe 15. Wie bereits beschrieben,
wird nach dem Schließen des Betriebsschalters 5 die Ansteuerung für den Mantelheizleiter
1 freigegeben.
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Der nach kurzer Wartezeit einlaufende erste Impuls des Nadelimpulsgenerators
13 überführt das Schaltinittel 6 mit Hilfe des Komparators 1t in einen "Einrastzustand",
der so lange anhält, bis der'Heizleiter t seine Solltemperatur erreicht hat. Nach
Beendigung dieser ersten HeizphaseJ die auch Vorglühphase genannt wird, führt der
Komparator 11 an seinem Ausgang lib kein Ansteuersignal mehr für das Schaltmittel
6. Sein invertierender Ausgang llc dagegen ist nunmehr geeignet, einen Transistor
16 durchzusteuern, der seinerseits ein Relais 17 erregt, das sich über einen eigenen
Arbeitskontakt 17a selbst hält. Ein Tiefpaßfilter
18, bestehend
aus einer einfachen RC-Kombination, ist dem Basisanschluß des Transistors 16 vorgeschaltet,
um ein Fehl ansprechen des Relais 17 während der "Einrastphase des Schaltmittels
6 zu v-?rmeiden.
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Ein weiterer Arbeitskontakt 17b des Relais lt erregt ein In seinem
Anzug verzögertes Relais 19 silber einen in Fmi tterstromgegenkoppl ung arbeitenden
Transistor So (Zenerdiode 25). Das Relais 19, welches auch als Zeitglied bezeichnet
werden kann, läßt schießlich nach Ablauf seiner Anzugsverzögerung durch den Arheitskontakt
19a die Glühlampe 15 aufleuchten, wodurch die Startbereitschaft gegeben ist.
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Das Konstantstrom-Regelverhalten des Transistors 20 stellt eine Maßnahme
dar, die den Einfluß der Batterie- bzw. der Bordnetzspannung auf die Bildung der
Verzögerungszeit des Relais 19 ausschaltet und somlt deren Reproduzierbarkeit sichert.
Thermodynamisch stellt die Verzögerungszeit des Relais 19 die Zeit dar, die vom
Erreichen des Sollwertes der Temperatur für den Heizleiter 1 an vergeht, bis der
Mantel des Mantelheizleiters die Nenntemperatur angenommen hat. Bestimmt wird diese
Zeit im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der den Heizleiter 1 umgebenden
Keramikisolation sowie von der Wärmekapazität des letztere umschließenden metallischen
Mantels, auf dessen Oberfläche während des Anlassens und Nachflammens der Kraftstoff
aufgespritzt wird.
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Im Augenblick des Anlassens der Brennkraftmaschine wird ein in Serie
zum Emitter des Transistors 16 geschalteter Kontakt 21 unmittelbar vom Zündschloß
her oder über ein von diesem gesteuertes Hilfsrelais geöffnet. Das Relais 19 hat
während des Anlaßvorganges genügend Zeit, sich zu entregen und die Glühlampe 15,
auch Startbereitschaftslampe genannt, verlöschen zu lassen.
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In Fig. 2 ist auf der Ordinate 22 die Temperatur T des Heizleiters
1 und auf der Abszisse 23 der zeitliche Verlauf, d.h. die Zeit aufgezeigt. Die Kurve
24 zeigt die Istwerttemperatur am Heizleiter l, die wischen einer im Komparator
11 eingestellten Elnschaltschwelle, die hier mit der Abszisse 23 zusammenSEllt und
einer die zulässige Grenztemperatur des Heizleitzers I nahezu erreichenden Ausschaltschwelle
26 schwankt. Bei der Einschaltschwelle 25 wird das Schaltmitte] 6 geschlossen und
die Aufheizung beginnt, bis die Ausschaltschwelle 26 erreicht ist.
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Gemäß Fig. 3 zeigt die Ordinate 2, di Stromstärke und die Abszlsse
23 wiederum den Zeitverlauf an. Die Rechtecke 29 zeigen die Zeit an, während der
der Heizleiter 1 ununterbrochen aufgeheizt wird. Mit Fig. 2 verglichen ist ZU erkennen,
daß bei Erreichen der Ausschaltschwelle 26 der Aufheizvorgang abgebrochen wird.
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Während der Zeit der Abkühlung des Heizleiters 1 bis auf die Einschaltschwelle
25 wird die Temperatur des Heizleiters 1 in gleichen Abständen und mit jeweils gleichlangen
Stromimpulsen 3o intermittlerend abgefragt, bis wieder ein Aufheizvorgang beginnt.
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Fig. 4 schließlich zeigt auf der Ordinate 51 die Spannungsdifferenz
qu, gemessen an den Ausgangspunkten 9, 1o der Wheatstoneschen Brücke zwischen der
Einschaltschwelle 25 und der Ausschaltschwelle 6.
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Auf der Abszisse 23 ist wieder der Zeitverlauf aufgetragen. Während
des Aufheizvorganges für den Heizleiter l wird die Spannungsdifferenz Au zwischen
den Punkten 9, 1o in Form einer Kurve 32 immer kleiner und erreicht bei der Ausschaltschwelle
26 den Wert "Null". Die anschließend folgenden Stromimpulse 30 zeigen eine wachsende
Spannungsdlfferenz du, bis die Einschaltschwelle 23 wieder erreicht ist.