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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Glühzündelements
einer Fahrzeugheizeinrichtung in einer Startphase der Fahrzeugheizeinrichtung.
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Aus
der nachveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 103 30 086 ist ein Verfahren zum Betreiben
eines Glühzündelements
bei einer Fahrzeugheizeinrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren
wird in der Startphase der Fahrzeugheizeinrichtung für das Glühzündelement
eine Soll-Heizleistung vorgegeben. Die Ist-Heizleistung wird beruhend
auf dem über
das Glühzündelement
fließenden
Strom und beruhend auf der an dem Glühzündelement anliegenden Spannung
ermittelt und mit der Soll-Heizleistung verglichen. Liegt eine Abweichung
vor, wird die Ist-Heizleistung nachgeführt, um diese möglichst nahe
an der Soll-Heizleistung zu halten. Dazu kann beispielsweise bei
impulsbreitenmodulierter Erregung bzw. Ansteuerung des Glühzündelements
der Tastgrad bzw. das Tastverhältnis
der an das Glühzündelement
angelegten Spannung variiert werden, so dass im Prinzip die mittlere
Spannung und somit auch der mittlere fließende Strom variiert werden können.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
eines Glühzündelements
einer Fahrzeugheizeinrichtung in einer Startphase der Fahrzeugheizeinrichtung
vorzusehen, mit welchem die zum Zünden erforderliche Betriebstemperatur
des Glühzündelements
schneller erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zum Betreiben eines Glühzündelements einer Fahrzeugheizeinrichtung
in einer Startphase der Fahrzeugheizeinrichtung, bei welchem Verfahren
für das
Glühzündelement
eine Soll-Heizleistung vorgegeben wird und die Heizleis tung des
Glühzündelements
derart eingestellt wird, dass sie im Bereich der Soll-Heizleistung
liegt, wobei für
ein erstes Heizintervall der Startphase eine geringere Soll-Heizleistung
vorgegeben wird, als für
ein darauf folgendes zweites Heizintervall.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass dann, wenn
für die
Startphase eine Regelung der Heizleistung stattfindet und somit
die Ist-Heizleistung
möglichst
nahe an die Soll-Heizleistung herangebracht werden soll, die Heizleistung
und somit die in dem Glühzündelement
erzeugte Wärme unabhängig vom
Kaltwiderstand des Glühzündelements
ist. Dieser Kaltwiderstand bzw. das elektrische Leitungsverhalten
des Glühzündelements
unterliegt fertigungsbedingt einer gewissen Variation, wobei zumindest
bei für
den Betrieb korrekt einsetzbaren Glühzündelementen unterstellt werden
kann, dass diese Variation einen gewissen Toleranz-Variationsbereich
um den eigentlich gewünschten
Soll-Kaltwiderstand nicht verlässt.
Durch das Vorgeben einer definierten Soll-Heizleistung wird also
der Einfluss des tatsächlichen
Kaltwiderstands auf die im Glühzündelement
erzeugte Wärme
eliminiert. Dies nutzt die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass
sie zunächst
im ersten Heizintervall eine geringere Soll-Heizleistung vorgibt,
wodurch sichergestellt werden kann, dass der über das Glühzündelement fließende Heizstrom
einen bestimmten insbesondere für die
Ansteuerschaltung kritischen Wert nicht überschreiten kann, und zwar
unabhängig
vom tatsächlich
vorhandenen Kaltwiderstand. In diesem ersten Heizintervall erwärmt sich
jedoch das Glühzündelement
mit der Folge, dass der elektrische Widerstand desselben deutlich
ansteigt und somit, gleich bleibende Spannung vorausgesetzt, die
Heizleistung abnimmt. Würde
die Heizleistung konstant gehalten werden, so hätte dies zur Folge, dass das
Glühzündelement
mit einer Heizleistung betrieben wird, die zu der maximal möglichen
Heizleistung einen deutlichen Abstand aufweist. Da jedoch nach dieser
Phase, in welcher durch deutliches Ansteigen des elektrischen Widerstands
entsprechend auch der Strom gesunken ist, erfindungsgemäß im zweiten
Heizintervall die Heizleistung hoch gesetzt wird, was beispielsweise durch
Anlegen einer höheren
Spannung oder bei getakteter Erregung Erhöhen des Tastgrades mit Erreichen
einer höheren
mittleren Spannung erfolgen kann, wird dafür gesorgt, dass im zweiten
Heizintervall die Soll-Heizleistung
näher an
die maximal mögliche
Heizleistung heran rückt
bzw. dieser entspricht, so dass eine außerordentlich schnelle Erwärmung stattfinden
kann. All dies geschieht mit dem zusätzlichen Effekt, dass das Heizverhalten
bzw. die erzeugte Wärme
unabhängig
ist vom tatsächlichen
Kaltwiderstand, so dass für
eine Vielzahl von Heizgeräten bzw.
Glühzündelementen
ein mit hoher Genauigkeit reproduzierbares Verhalten in der Startphase
erlangt werden kann.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt wird vorgeschlagen, dass für ein auf
das zweite Heizintervall folgendes drittes Heizintervall eine geringere
Soll-Heizleistung vorgegeben wird, als für das zweite Heizintervall.
Durch das Senken der Soll-Heizleistung im dritten Heizintervall
wird dafür
gesorgt, dass die Temperatur des Glühzündelements nicht übermäßig ansteigt,
sondern sich beispielsweise asymptotisch einer bestimmten Soll-Betriebstemperatur
annähert.
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Wie
bereits vorangehend ausgeführt,
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgesehen sein, dass die Soll-Heizleistung für das erste Heizintervall derart
vorgegeben wird, dass ein über
das Glühzündelement
fließender
Heizstrom einen vorbestimmten Grenzwert unabhängig von einem tatsächlichen
Kaltwiderstand des Glühzündelements
nicht übersteigt,
wobei der tatsächliche
Kaltwiderstand des Glühzündelements
in einem Toleranz-Variationsbereich
um einen Soll-Kaltwiderstand liegt. Weiterhin ist es für das möglichst
rasche Erreichen der Soll-Betriebstemperatur vorteilhaft, wenn für das zweite
Heizintervall die Soll-Heizleistung derart vorgegeben wird, dass
eine obere Grenztemperatur des Glühzündelements nicht überschritten
wird.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Aspekt kann, wie vorangehend bereits ausgeführt, vorgesehen
sein, dass die Soll-Heizleistung für das zweite Heizintervall
oder/und für
das dritte Heizintervall derart vorgegeben wird, dass die Temperatur
des Glühzündelements
sich einer Soll-Betriebstemperatur annähert oder/und im Bereich der
Soll-Betriebstemperatur bleibt.
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Bei
einer sehr einfach realisierbaren Ansteuerung kann vorgesehen sein,
dass für
wenigstens eines der Heizintervalle die Soll-Heizleistung auf einen im
Wesentlichen konstanten Wert gesetzt wird.
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Um
das Heizverhalten noch weiter zu optimieren, d. h. eine weiter verkürzte Startphase
erlangen zu können,
gleichwohl jedoch den gewünschten Effekt
der hohen Reproduzierbarkeit beibehalten zu können, wird weiter vorgeschlagen,
dass für
wenigstens eines der Heizintervalle die Soll-Heizleistung auf sich ändernde
Werte gesetzt wird.
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Am
Ende bzw. nach dem dritten Heizintervall kann dann das Erregen des
Glühzündelements
beendet werden. In dieser Phase wird durch bereits zuvor erfolgte
Brennstoff- und Verbrennungslufteinspeisung dann bereits ein zündfähiges Gemisch
zur Verbrennung gebracht worden sein, so dass das weitergehende
Erregen des Glühzündelements
nicht erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Fahrzeugheizeinrichtung;
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2 ein
Diagramm, das in Abhängigkeit von
der Zeit einerseits die Entwicklung der Temperatur im Bereich eines
Glühzündelements
zeigt und andererseits die vorgegebene Soll-Heizleistung zeigt.
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In 1 ist
eine Fahrzeugheizeinrichtung, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert werden kann, allgemein mit 10 bezeichnet und
hier nur mit Hinblick auf die zum Erklären der vorliegenden Erfindung
relevanten Komponenten beschrieben und dargestellt.
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Die
Heizeinrichtung 10 umfasst einen Brenner 12 mit
einer Brennkammer 14. In einem Bodenbereich dieser Brennkammer 14 ist
ein poröses
Verdampfermedium 16 angeordnet, in welches über eine Brennstoffförderpummpe 18 flüssiger Brennstoff
eingespeist wird. Ein Verbrennungsluftgebläse 20 fördert die
zur Bildung eines zündfähigen bzw.
verbrennungsfähigen
Gemisches erforderliche Luft in die Brennkammer 14. Dieses
Gemisch wird durch Brennstoffabdampfung aus dem porösen Verdampfermedium 16 einerseits
und die Verbrennungslufteinspeisung andererseits gebildet und durch
ein in die Brennkammer 14 eingreifendes bzw. in Wechselwirkung
mit dem Gemisch bringbares Glühzündelement 22 gezündet. Sowohl
das Glühzündelement 22 als auch
die beiden Fördereinrichtungen 18, 20 stehen unter
Ansteuerung einer Ansteuervorrichtung 24, welche den Betrieb
dieser verschiedenen anzusteuernden Systemkomponenten aufeinander
abstimmt und welcher selbstverständlich
von nicht dargestellten Sensoranordnungen weitere Informationen
geliefert werden können.
Im Zusammenhang mit der Ansteuerung des Glühzündelements 22 ist
die Ansteuervorrichtung 24 beispielsweise dazu ausgebildet, zur
Erregung dieses Glühzündelements 22 eine
gepulste bzw. getaktete Spannung anzulegen, wobei durch das Tastverhältnis eine
mittlere Spannung definiert ist, die, auch beeinflusst durch den
elektrischen Widerstand des Glühzündelements 22,
einen entsprechenden Stromfluss induziert. Durch das Produkt aus
Spannung und Strom kann die Heizleistung bestimmt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
wird in einer Startphase der Heizeinrichtung 10 für das Glühzündelement 22 eine
Heizleistung vorgegeben. Es sei hierzu zunächst im Diagramm der 2 auf
die Kurve K1 verwiesen, die das Temperaturverhalten
des Glühzündelements 22 für den Fall
zeigt, dass über
die gesamte Startphase hinweg eine näherungsweise konstante Heizleistung
angelegt wird. Die Temperatur steigt in einer Zeit von 30 bis 40
Sekunden auf etwa 1100°C
an, was näherungsweise auch
die gewünschte
Betriebstemperatur des Glühzündelements 22 ist,
die zum Zünden
erforderlich ist. Das heißt,
dass dann, wenn angenommen werden kann, dass das Glühzündelement 22 im
Bereich dieser Temperatur von 1100°C ist, die Erzeugung des zündfähigen Gemisches
eingeleitet wird, d. h. Brennstoff und Verbrennungsluft gefördert werden.
Hier kann bereits mit einem gewissen Vorlauf gearbeitet werden,
da unterstellt werden kann, dass auch eine bestimmte Zeit erforderlich
ist, um in der Brennkammer 14 Brennstoffdampf bereitzustellen.
Bei Einsatz eines Zerstäuberbrenners
ist die zur Erzeugung des zündfähigen Gemisches
erforderliche Vorlaufzeit deutlich geringer. Man erkennt also anhand
der Kurve K1, dass bei Vorgabe einer im
Wesentlichen konstanten Heizleistung nach etwa 30 bis 40 Sekunden Heizdauer
die erforderliche Temperatur vorliegt und somit die Verbrennung
gestartet werden kann. Das heißt,
dass die Startphase, also die bis zum Starten der Verbrennung dauernde
Phase, im Bereich von etwa 30 Sekunden liegt, wobei hier auch äußere Einflüsse, wie
z. B. die Umgebungstemperatur, beeinflussende Größen sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
wird in der Startphase keine konstante Heizleistung vorgegeben,
sondern diese wird variiert. So wird in einem ersten Heizintervall
I1 ab dem Beginn der Startphase zum Zeitpunkt
Null eine erste Soll-Heizleistung L1 vorgegeben,
die so gewählt
ist, dass der dabei über
das Glühzündelement 22 fließende Strom einen
bestimmten Grenzwert nicht überschreiten kann.
Hier ist zu berücksichtigen,
dass die Ansteuervorrichtung 24 zum Anlegen der erforderlichen
Spannung an das Glühzündelement
Halbleiterschalterelemente nutzt, die einen gewissen zulässigen maximalen
Strom leiten können.
Dieser kann im Bereich von 10 bis 12 A liegen.
Da im ersten Heizintervall I1 das Glühzündelement 22 vergleichsweise
kalt sein wird und insofern einen vergleichsweise geringen elektrischen
Widerstand aufweisen wird, könnte
das Anfordern einer zu großen
Heizleistung hier einen zu großen
Stromfluss und möglicherweise
eine Beschädigung
im Bereich der Ansteuervorrichtung 24 zur Folge haben oder
dort Sicherheitsmaßnahmen
auslösen,
die das zwangsweise Abschalten zum Vermeiden eines übermäßig hohen
Stromflusses nach sich ziehen.
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Am
Ende dieses ersten Heizintervalls I1, also zum
Zeitpunkt t1, wird jedoch die Temperatur
des Glühzündelements 22 bereits
deutlich angestiegen sein.
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Man
erkennt in der 2, dass am Ende des ersten Heizintervalls
I1 die Temperatur bereits im Bereich von
etwa 200°C
liegt. Eine derart hohe Temperatur führt bereits zu einem deutlichen
Anstieg des elektrischen Widerstands des Glühzündelements 22 mit
der Folge, dass bei zunächst
gleich gehaltener Spannung die Heizleistung abnehmen würde. Erfindungsgemäß wird dem
dadurch Rechnung getragen, dass in einem auf den Zeitpunkt t1 folgenden zweiten Heizintervall I1 die Heizleistung auf einen zweiten Soll-Wert
L2 gesetzt wird. Dieser ist deutlich höher als der
für das
erste Heizintervall I1 gegebene Soll-Wert L1 und berücksichtigt
nunmehr, dass aufgrund des deutlich angestiegenen elektrischen Widerstands des
Glühzündelements 22 auch
bei größeren Heizleistungen,
insbesondere also auch bei höheren
anliegenden Spannungen oder höherem
Tastverhältnis, definiert
durch den Quotienten der An-Phasen und der Aus-Phasen, ein überhoher
Stromfluss nicht mehr auftreten wird. Die Folge der Erhöhung der Soll-Heizleistung
ist ein entsprechend deutlich schnellerer Anstieg der Temperatur
des Glühzündelements,
was aus der Kurve K3 hervorgeht. Bereits am
Ende des vergleichsweise kurzen zweiten Heizintervalls I2 liegt die Temperatur des Glühzündelements im
Bereich seiner Soll-Betriebstemperatur von etwa 1100°C.
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Da
eine weitere Erregung des Glühzündelements 22 mit
dieser vergleichsweise hohen Heizleistung L2 zu
einer übermäßigen Erhitzung
des Glühzündelements
führen
würde,
wird zum Zeitpunkt t2, also am Ende des
zweiten Heizintervalls I2 die Heizleistung
wieder gesenkt, und zwar auf einen dritten Sollwert L3.
Dieser Sollwert L3 ist so vorgegeben, dass
er im Wesentlichen einen stationären
Temperaturzustand beibehalten kann, d. h. das Glühzündelement 22 auch
unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass nunmehr in der Brennkammer 14 ein Gemisch aus
Verbrennungsluft und Brennstoffdampf vorhanden sein wird, näherungsweise
im Bereich seiner Soll-Betriebstemperatur bleibt und somit das möglichst
rasche Zünden
dieses Gemisches sicherstellen kann.
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Man
erkennt in 2, dass durch Übergang zu
der anhand der Kurve K2 er kennbaren gestuften Soll-Heizleistungsvorgabe
die zum Zünden
erforderlichen Temperaturbedingungen bereits nach etwa der Hälfte bis
zu einem Drittel der Zeit erreicht wird, die bei konstanter Heizleistung
erforderlich war. Im dargestellten Falle bedeutet dies, dass bereits
nach ca. 15 bis 20 Sekunden die Zündung erfolgen kann, so dass
zu einem Zeitpunkt t3 das dritte Heizintervall
I3 beendet werden kann und die Erregung
des Glühzündelements 22 eingestellt
werden kann, da dann auch unter ungünstigen Außenumgebungsbedingungen unterstellt
werden kann, dass die Zündung
erfolgt ist. Selbstverständlich
kann hier auch so vorgegangen werden, dass durch einen Flammfühler oder dergleichen
erfasst wird, ob bzw. wann die Zündung erfolgt
ist und in Reaktion auf diese Erfassung dann das dritte Heizintervall
beendet wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Anpassung
der Heizleistung im Verlauf des Startvorgangs wird eine äußerst kurze
Startphase erlangt, wobei diese kurze Startphase reproduzierbar
ist unabhängig
vom tatsächlichen
Kaltwiderstand, also von den beim Glühzündelement 22 vorhandenen
Fertigungstoleranzen. Es besteht nicht die Gefahr, dass insbesondere
bei denjenigen Glühzündelementen 22,
die fertigungsbedingt mit vergleichsweise geringem Kaltwiderstand bereitgestellt
werden, ein übermäßig hoher
Strom fließt,
solange diese noch kalt sind. Weiterhin ist es selbstverständlich,
dass diese Vorgehensweise bei verschiedensten Arten von Brennern
eingesetzt werden kann. Selbstverständlich können neben den vorangehend
beschriebenen Verdampferbrennern mit Bodenverdampfung auch andersartig
gestaltete Verdampferbrenner oder Zerstäuberbrenner zum Einsatz gebracht
werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
kann, wie in 2 anhand der Kurve K2 zwar erkenbar, für die verschiedenen Heizintervalle
jeweils eine konstante Soll-Heizleistung vorgegeben werden, was
beispielsweise für
das Heizintervall I1 bedeutet, dass aufgrund
des ansteigenden Widerstands zum Konstanthalten der Heizleistung
die Spannung oder die mittlere Spannung erhöht werden muss, um das Absinken
des Stroms kompensieren zu können.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
in den einzelnen oder einem Teil der Heizintervalle eine Variation
der Soll-Heizleistung vorzusehen. So könnte beispielsweise im ersten
Heizintervall I1 eine ansteigende Soll-Heizleistung
vorgegeben werden, so dass das Absinken des Stroms bei ansteigendem elektrischen
Widerstand noch schneller kompensiert werden kann. Selbiges gilt
selbstverständlich
auch für
das zweite Heizintervall I2, wobei in diesem
zweiten Heizintervall I2 im Übergang
zum dritten Heizintervall I3 eine nicht
stufenartige, sondern entsprechend allmählich sinkende Heizleistung
vorgegeben werden kann.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die drei vorangehend beschriebenen und in der Figur erkennbaren Heizintervalle
auch voneinander getrennt sein können
durch kurze Zwischenintervalle, in welchen eine Anpassung der Heizleistung
in einer Zwischenstufe beispielsweise stattfinden kann. Auch kann
dem ersten Heizintervall ein weiteres Heizintervall vorgeschaltet
sein, in dem beispielsweise ebenfalls in einer Zwischenstufe eine
beispielsweise kleinere Soll-Heizleistung vorgegeben wird. Von Bedeutung ist
für die
vorliegende Erfindung jedoch, dass die drei Heizintervalle mit ihrer
wesentlichen Funktionalität bereitgestellt
werden können,
wobei das erste Heizintervall dazu dient, in der Anfangsphase der
Startphase eine Stromüberhöhung zu
vermeiden, das zweite Heizintervall dazu dient, die Temperatur des Glühzündelements
möglichst
schnell in Richtung der Soll-Betriebstemperatur zu erhöhen, und
das dritte Heizintervall dazu dient, die Temperatur des Glühzündelements
im Bereich der Soll-Betriebstemperatur zu halten.