DE102007038131B3 - Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze und Glühkerzensteuergerät - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze und Glühkerzensteuergerät Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze durch Anlegen einer veränderlichen elektrischen Spannung an die Glühkerze. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Spannung ausgehend von einem Sockelwert im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt. Die Erfindung betrifft ferner ein Glühkerzensteuergerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze und ein Glühkerzensteuergerät zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Zum Starten eines Motors müssen Glühkerzen möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur von typischerweise 1000°C bis 1300°C aufgeheizt werden. Kommt es beim Aufheizen zu einem Überschwingen über die Betriebstemperatur hinaus, so wird die Glühkerze dadurch belastet und im Extremfall sogar beschädigt. Um Überschwinger zu vermeiden ist es deshalb bekannt, die an die Glühkerze angelegte elektrische Spannung während der Aufheizphase schrittweise zu reduzieren HOUBEN, H. et al: The New Electronically Controlled Glow System ISS for Diesel Engines; (MTZ 61, Vol. 10 2001; S. 2–8).
  • Trotz eines viel versprechenden Potentials haben keramische Glühkerzen bisher nicht die erhofften hohen Lebensdauern erreicht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie keramische Glühkerzen möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden können und dabei möglichst wenig belastet werden, so dass deren Lebensdauer durch das Aufheizen möglichst wenig beeinträchtigt wird, sowie ein Glühkerzensteuergerät dazu anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegeben Merkmalen gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Glühkerzensteuergerät gemäß Anspruch 13 gelöst, das derart eingerichtet ist, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze ein derartiges Verfahren durchführt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
  • Bei bekannten Aufheizverfahren wird zum Vermeiden eines Überschießens der Temperatur der Glühkerze die angelegte Spannung im Laufe des Aufheizvorgangs schrittweise abgesenkt, so dass die elektrische Spannung während des Aufheizvorganges im zeitlichen Mittel abnimmt. Überraschender Weise lässt sich die Lebensdauer keramischer Glühkerzen, insbesondere außen heizender Glühkerzen erhöhen, indem genau das Gegenteil getan wird. Erfindungsgemäß steigt nämlich die elektrische Spannung zu Beginn des Aufheizvorganges im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit an.
  • Die elektrische Spannung kann beispielsweise stufenweise erhöht werden, wobei in einem solchen Fall die Höhe der Stufen mit zunehmender Zeit zunimmt und/oder die Breite der Stufen mit zunehmender Zeit abnimmt. Auf diese Weise ergibt sich während der Aufheizphase ein Verlauf der elektrischen Spannung, der im zeitlichen Mittel überproportional ansteigt.
  • Während im Stand der Technik zu Beginn des Aufheizvorganges typischerweise die volle Bordnetzspannung an die Glühkerze angelegt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zunächst eine wesentlich geringere Startspannung von beispielsweise 6 Volt als Sockelwert angelegt. Ausgehend von dem Sockeltwert wird die elektrische Spannung dann bis zu einem Maximalwert erhöht, bei dem es sich um den Wert der Bordnetzspannung handeln kann. Der Sockelwert beträgt bevorzugt mindestens 4 Volt, insbesondere mindestens 5 Volt. Bevorzugt wird der Sockelwert zu Beginn des Verfahrens in einem einzigen Sprung von Null aus angesteuert, beispielsweise durch einen Einschaltvorgang.
  • Der überraschend positive Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Lebensdauer keramischer Glühkerzen wird darauf zurückgeführt, dass sich in dem keramischen Leiter einer keramischen Glühkerze lokale Strompfade ausbilden, die bei Anlegen einer zu hohen Spannung zu einer lokalen Überhitzung und damit Schädigung der Glühkerze führen. Im Laufe des Aufheizvorgangs nimmt der elektrische Widerstand temperaturbedingt zu, so dass die elektrische Spannung ohne Schädigung des Materials ebenfalls erhöht werden kann, um ein möglichst schnelles Aufheizen zu erreichen. Für die Lebensdauer der Glühkerze scheint dabei insbesondere der Beginn des Aufheizvorgangs kritisch zu sein. Um ein möglichst schnelles Aufheizen zu erreichen, kann die Spannung während der Aufheizphase bis zu einem Maximum ansteigen und nach Erreichen des Maximums, ggf. verzögert, auf einen niedrigeren Wert abgesenkt werden, der ausreicht, um die Betriebstemperatur zu halten.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Spannung zu Beginn des Aufheizvorgangs stufenweise erhöht werden. Bevorzugt bleibt die elektrische Spannung dabei höchstens für ein Zeitintervall von 0,4 Sekunden, insbesondere höchstens für 0,2 Sekunden, besonders bevorzugt höchstens für 0,1 Sekunde konstant, bevor sie erhöht wird.
  • Bevorzugt wird die elektrische Spannung in einem Verfahren der Pulsweitenmodulation für kurze Zeitscheiben angelegt, so dass sich ein Verlauf einer effektiven Spannung ergibt, der eine Stufenfunktion, eine Polygonzug oder beispielsweise parabelförmig sein kann, und im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt. Im zeitlichen Mittel über bevorzugt jeweils höchstens 0,3 Sekunden, vorzugsweise über 0,2 Sekunden, insbesondere über 0,1 Sekunde, sollte die elektrische Spannung aber überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigen.
  • Besonders gute Ergebnisse lassen sich dadurch erzielen, dass die elektrische Spannung ausgehend von einer Startspannung möglichst kontinuierlich erhöht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Verlauf der elektrischen Spannung ein Polygonzug ist. Je größer die Anzahl der Stützstellen ist, desto gleichmäßiger ist der Anstieg der Spannung. Bevorzugt hat der Polygonzug mindestens 5 Stützstellen, insbesondere mindestens 8 Stützstellen, besonders bevorzugt mindestens 12 Stützstellen. Vorteilhaft ist es insbesondere auch, wenn der Verlauf der elektrischen Spannung eine stetig differenzierbare Funktion aproximiert und der Verlauf der elektrischen Spannung dabei eine streng monoton steigende Steigung zeigt. Bevorzugt ist dabei insbesondere ein parabelförmiger Anstieg der elektrischen Spannung.
  • Ein erfindungsgemäßes Glühkerzensteuergerät ist derart eingerichtet, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Bevorzugt sind in einem Speicher des Glühkerzensteuergeräts mindestens 5 Stützstellen einer Sollkurve des elektrischen Spannungsverlaufs während des Aufheizvorgangs gespeichert. Besonders bevorzugt sind mindestens 8 Stützstellen der Sollkurve gespeichert, welcher der elektrische Spannungsverlauf während des Aufheizvorgangs folgen soll.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert.
  • 1 zeigt ein Beispiel des Spannungsverlaufs einer keramischen Glühkerze beim Aufheizen.
  • In 1 ist die an eine keramische Glühkerze zum Aufheizen auf die Betriebstemperatur, zum Starten eines Motors angelegte Effektivspannung Ueff in Volt über der Zeit t in Sekunden aufgetragen.
  • 1 zeigt dabei, dass die Effektivspannung Ueff von einem Sockelwert von 6 Volt parabelförmig auf einen Maximalwert von etwa 11 Volt ansteigt. Der Spannungsverlauf folgt dabei einer Sollkurve US (t) = 4,6 Vs2 × t2 + 2,6 V/s × t + 6 V.
  • Die angegebene Effektivspannung Ueff wird durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation von dem Glühkerzensteuergerät an die Glühkerze angelegt.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze, wobei zum Starten eines Motors eine veränderliche elektrische Spannung an die Glühkerze angelegt wird, wobei durch einen Einschaltvorgang zu Beginn des Aufheizvorganges als Sockelwert eine Startspannung angelegt wird, die geringer als eine Bordnetzspannung ist, und wobei die elektrische Spannung ausgehend von dem Sockelwert im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung während des Aufheizvorgangs höchstens für ein Zeitintervall von 0,4 Sekunden, vorzugsweise höchstens für 0,2 Sekunden, insbesondere höchstens für 0,1 Sekunden, konstant bleibt.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung stufenlos ansteigt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung in Stufen erhöht wird, wobei die Höhe der Stufen mit zunehmender Zeit zunimmt und/oder die Breite der Stufen mit zunehmender Zeit abnimmt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung während des Aufheizvorgangs zum Erreichen einer Betriebstemperatur bis zu einem Maximum ansteigt und danach, ggf. verzögert, auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird, der ausreicht, um die Betriebstemperatur der Glühkerze zu halten.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung im zeitlichen Mittel über jeweils 0,3 Sekunden, vorzugsweise über 0,2 Sekunden, insbesondere über 0,1 Sekunden überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelwert mindestens 4 Volt, vorzugsweise mindestens 5 Volt, besonders bevorzugt 6 Volt beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelwert zu Beginn des Verfahrens in einem einzigen Sprung von Null auf den Sockelwert angesteuert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung parabelförmig ansteigt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der elektrischen Spannung eine stetig differenzierbare Funktion approximiert und dabei eine streng monoton zunehmende Steigung zeigt.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der elektrischen Spannung ein Polygonzug ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Polygonzug mindestens fünf Stützstellen, vorzugsweise mindestens 8 Stützstellen, insbesondere mindestens 12 Stützstellen aufweist.
  13. Glühkerzensteuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass es derart eingerichtet ist, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchführt.
  14. Glühkerzensteuergerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher des Glühkerzensteuergeräts mindestens fünf Stützstellen einer Sollkurve des elektrischen Spannungsverlaufs während des Aufheizvorgangs gespeichert sind, vorzugsweise mindestens acht Stützstellen, insbesondere mindestens 12 Stützstellen.
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