DE102012204433A1 - Verfahren zur Prüfung einer Heizvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Heizvorrichtung, welche ein Heizelement und mindestens ein PTC-Element mit einem Kontaktvermittler umfasst. Dieses Verfahren umfasst das Beaufschlagen des mindestens einen PTC-Elements mit einer getakteten Spannung U, das Messen des Stroms am PTC-Element, das Berechnen einer Stromdifferenz ΔI zwischen einem Strom I1 unmittelbar vor Beginn einer Ausschaltphase der getakteten Spannung U und einem Strom I2 unmittelbar nach Beginn einer Einschaltphase der getakteten Spannung U, und das Erkennen auf einen unzureichenden Kontakt zwischen Heizelement und PTC-Element, wenn die Stromdifferenz ΔI einen Stromschwellenwert ΔImax überschreitet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Heizvorrichtung, welche ein Heizelement, mindestens ein PTC-Element und mindestens einen Kontaktvermittler umfasst. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät ausgeführt wird.
• Stand der Technik
• Um die immer strengeren Abgasgesetzgebungen zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffdioxide im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist es bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide (NOx) in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxid im Abgas erheblich verringert werden. Für den Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Als Reduktionsmittel werden daher NH₃ bzw. NH₃-abspaltende Reagenzien eingesetzt. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5 %ige wässrige Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue^® kommerziell erhältlich.
• Bei einer Umgebungstemperatur von weniger als –11°C kann diese Harnstoffwasserlösung im Reduktionsmitteltank eines Kraftfahrzeuges gefrieren. Das Auftauen der gefrorenen Harnstoffwasserlösung wird in der Regel durch eine Heizung realisiert. Diese besteht aus einem Heizkörper aus Aluminium-Strangguss, an welchem Kaltleiter- bzw. PTC-Elemente (Positive Temperature Coefficient) durch Verstemmen befestigt werden. Der erhaltene Pressverband inklusive einer elektrischen Kontaktierung wird durch eine Umspritzung aus einem Kunststoff vor der Einwirkung der Harnstoffwasserlösung geschützt. An der Oberfläche des PTC-Elements ist ein Kontaktvermittler aufgebracht, welcher aus einer plastisch verformbaren Schicht aus Aluminiumerhöhungen besteht. Die Bestromung des PTC-Elements im Heizbetrieb erfolgt in der Weise, dass sich an der Umspritzung höchstens eine Temperatur einstellt, welche unter der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegt. Dabei wird versucht, einen möglichst geringen Sicherheitsabstand zu der Erweichungstemperatur einzuhalten, um die Heizleistung bei gegebener Beheizung möglichst zu maximieren. Der Kontakt zwischen dem PTC-Element und dem Aluminium-Heizelement muss deshalb zwei Eigenschaften aufweisen. Zum einen muss der thermische Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktpartnern im Betriebsbereich und über die Lebensdauer möglichst gering sein bzw. der thermische Kontaktkoeffizient muss möglichst groß sein, und darf keiner Änderung oder Streuung unterliegen. Zum anderen muss eine Relativbewegung zwischen den beteiligten Kontaktpartnern vermieden werden. Andernfalls würde es zu Abrieb und der Bildung einer Abriebschicht kommen, welche eine schlechtere elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, als der ursprüngliche Kontakt. Der angestrebte Kontakt zwischen PTC-Element und Heizelement kann in der Serie nur zerstörend geprüft werden. Hierbei wird der Pressverband zerstört und die Verformung der Aluminiumerhöhungen untersucht. Wenn die Aluminiumerhöhungen nicht verformt sind, ist die Verpressung unzureichend.
• Offenbarung der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Prüfung einer Heizvorrichtung welche ein Heizelement und mindestens ein PTC-Element mit einem Kontaktvermittler umfasst. Dieses Verfahren umfasst das Beaufschlagen eines mindestens einen PTC-Elements mit einer getakteten Spannung U, das Messen eines Stroms I an dem PTC-Element, das Berechnen einer Stromdifferenz ΔI zwischen einem Strom I₁ unmittelbar vor Beginn einer Ausschaltphase der getakteten Spannung U und einem Strom I₂ unmittelbar nach Beginn einer Einschaltphase der getakteten Spannung U, und das Erkennen auf einen unzureichenden Kontakt zwischen Heizelement und PTC-Element, wenn die Stromdifferenz ΔI einen Stromschwellenwert ΔI_max überschreitet.
• Der Stromschwellenwert ΔI_max kann empirisch bestimmt werden. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Stromschwellenwert ΔI_max gemäß Formel 1 berechnet wird.

  
• Dabei gibt ΔT_max die maximal tolerierbare Änderung der Temperatur des PTC-Elements über die Ausschaltphase an, d. h. die Differenz der Temperatur des PTC-Elementes vor bzw. nach der Ausschaltphase. R(T) bezeichnet den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand des PTC-Elements.
• Die maximal tolerierbare Temperaturänderung ΔT_max kann experimentell ermittelt werden. Alternativ ist es bevorzugt, dass sie gemäß Formel 2 berechnet wird.

  
• Dabei gibt Q . den mittleren Wärmestrom in einem Prüfpunkt an, t_aus ist die Dauer einer Ausschaltphase der getakteten Spannung U, W_min ist der minimal erforderliche thermischen Kontaktkoeffizient zwischen der Heizvorrichtung und dem PTC-Element, A ist die Kontaktfläche zwischen der Heizvorrichtung und dem PTC-Element, m₁ ist die Masse der Heizvorrichtung, m₂ ist die Masse des PTC-Elements, c_p,1 ist die Wärmekapazität der Heizvorrichtung und c_p,21,22 ist die Wärmekapazität des PTC-Elements. m₁·c_p,1 bezeichnet also die thermische Masse der Heizvorrichtung und m₁·c_p,21,22 bezeichnet die thermische Masse des PTC-Elements.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Prüfung der Heizvorrichtung, welche beispielsweise im Reduktionsmitteltank eines SCR-Katalysatorsystems verbaut ist. Das Verfahren kann durch Bestromung und Stromrücklesung an der Heizvorrichtung durchgeführt werden, sodass hierzu keine baulichen Veränderungen an der Heizvorrichtung nötig sind. Das erfindungsgemäße Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, ermöglicht deshalb die nachträgliche Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer vorhandenen Heizvorrichtung. Hierzu dient das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computersteuergerät ausgeführt wird.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Heizvorrichtung, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden kann.
• 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm der Vorrichtung gemäß 1.
• In 3 ist qualitativ die zeitliche Änderung von Spannung und Strom an einer Heizvorrichtung bei Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
• 4 zeigt qualitativ die zeitliche Änderung der Spannung am PTC-Element, der Temperatur des PTC-Elements und der Temperatur des Heizelements bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• In 5 ist eine gemessene Temperaturänderung des PTC-Elements einer berechneten Temperaturänderung gegenübergestellt.
• 6 zeigt den Zusammenhang zwischen dem thermischen Kontaktkoeffizienten und dem äquivalenten Luftspalt zwischen PTC-Element und Heizelement in Abhängigkeit von der Temperatur des PTC-Elements.
• Ausführungsformen der Erfindung
• 1 zeigt eine Heizvorrichtung, welche zum Beheizen einer Harnstoffwasserlösung im Reduktionsmitteltank eines SCR-Katalysatorsystems vorgesehen ist, in isometrischer Darstellung. Ein Schaltbild dieser Heizvorrichtung ist in 2 gezeigt. Die Heizvorrichtung weist ein Aluminium-Strangpressprofil als Heizelement 1 auf. Sie umfasst zwei PTC-Elemente 21, 22 aus Bariumtitanat (BaTiO₃), die an ihrer Oberfläche halbkugelförmige Erhöhungen (nicht gezeigt) aus Aluminium aufweisen. Diese Erhöhungen fungieren als Kontaktvermittler und haben eine Höhe von 10 µm. Drei Kontaktbleche 311, 312, 321 ermöglichen die elektrische Kontaktierung der PTC-Elemente 21, 22. Ein Kurzschluss der beiden PTC-Elemente 21, 22 wird durch Isolationselemente 41, 42 verhindert, welche aus einer Isolationskeramik bestehen, die 96 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al₂O₃) enthält. Das Heizelement 1, die PTC-Elemente 21, 22, die Kontaktbleche 3 und die Isolationselemente 41, 42 sind mit einem Kunststoff 5 umspritzt, um sie vor der Harnstoffwasserlösung zu schützen. Diese Umspritzung besteht aus Polyamid 66, welches mit 35 Gewichtsprozent Glasfasern gefüllt ist. In 1 ist ein Teil der Heizvorrichtung aufgeschnitten dargestellt, sodass das Heizelement 1 und die PTC-Elemente 21, 22 zu erkennen sind.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die PTC-Elemente 21, 22 mit einer getakteten Spannung U beaufschlagt und der Strom I an den PTC-Elementen 21, 22 gemessen. Der zeitliche Verlauf von Spannung U und Strom I ist qualitativ in 3 dargestellt. Zwischen einem Strom I₁ unmittelbar vor Beginn einer Ausschaltphase der getakteten Spannung (U = 0) und einem Strom I₂ unmittelbar nach Beginn einer Einschaltphase der getakteten Spannung besteht eine Stromdifferenz ΔI = I₂ – I₁. Beispielhafte Stromdifferenzen ΔI für Untersuchungen einer Heizvorrichtung gemäß den 1 und 2 sind in Abhängigkeit von der Temperatur T_HWL der Harnstoffwasserlösung, der Dauer t_ein der Einschaltphase, der Dauer t_aus der Ausschaltphase und der Frage, ob eine Umströmung der Heizvorrichtung mit Harnstoffwasserlösung stattfindet, in Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1

  U [V]	Umströmung	THWL [°C]	tein	taus	I2 [A]	ΔI [A]
  14,2	an	+10	3400	100	8,21	0,14
  14,2	aus	+10	3400	100	8,07	0,20
  14,2	an	–4	3400	100	8,42	0,08
  14,2	aus	–4	3400	100	8,34	0,11
  15	an	+10	600	100	8,68	0,18
  15	an	–4	600	100	8,95	0,08
  15	aus	–4	600	100	8,87	0,10
  16	an	+10	300	100	9,30	0,19
  16	aus	+10	300	100	9,05	0,24
  16	an	–4,3	300	100	9,56	0,08
  16	aus	–4,3	300	100	9,48	0,12

• Aus dem gemessenen Strom kann direkt auf die Temperatur T_21,22 der PTC-Elemente 21, 22 geschlossen werden. Diese ergibt sich für die Heizvorrichtung gemäß den 1 und 2 aus einer Kalibrierfunktion gemäß Formel 3:

  
• Des Weiteren kann aus der Stromänderung ΔI auf die Temperaturänderung ΔT_21,22 geschlossen werden, sodass eine Ableitung einer Widerstandskurve nach der Temperatur möglich ist.
• Wenn die PTC-Elemente 21, 22 ideal an das Heizelement 1 angebunden wären, würde die Temperatur in einer Ausschaltphase mit einer Länge t_aus von 100 ms nur wenig abfallen. Bei einem Volumen V₁ des Heizelements 1 von 17.600 mm³, welches aus Aluminium mit einer Dichte ρ(Al) von 2.700 kg/mm³ und einer Wärmekapazität c_p(Al) von 900 J kg^–1 K^–1 besteht, ergibt sich eine thermische Masse des Heizelements 1 von 43 J K^–1. Bei einer Heizleistung der PTC-Elemente 21, 22 von 100 W beträgt die in 100 ms abgegebene Wärmemenge 10 J, was einer Temperaturänderung ΔT_21,22 von 0,25 K entspricht. Wenn ein höherer Temperaturabfall beobachtet wird, muss zwischen den PTC-Elementen 21, 22 und der Heizvorrichtung 1 ein Kontaktwiderstand vorliegen, welcher einen Temperaturunterschied zur Folge hat. Bei Abschalten der PTC-Elemente 21, 22 wird dieser Temperaturunterschied abgebaut. Dieser Wirkzusammenhang ist in 4 dargestellt. Der initiale Temperaturunterschied ΔT₀ zwischen der Temperatur T_Al des Heizelements 1 und der Temperatur T_21,22 der PTC-Elemente 21, 22 ist gemäß Formel 4 abhängig vom Wärmestrom Q ., welcher mit der mittleren elektrischen Leistung des PTC-Elements korreliert, dem thermischen Kontaktkoeffizienten W und der Kontaktfläche A:

  
• Der Temperaturabfall der PTC-Elemente 21, 22 der sich ergeben würde, wenn die Heizleistung konstant bleibt, berechnet sich nach Formel 5:

  
• Hierbei gibt m die Masse der PTC-Elemente 21, 22 und c_p ihre spezifische Wärmekapazität an. Formel 5 gilt, wenn der initiale Temperaturunterschied ΔT₀ wesentlich größer als der gemessene Temperaturunterschied ΔT_Mess ist.
• In 5 sind gemessene Temperaturänderungen ΔT_Mess den entsprechenden gemäß Formel 5 berechneten Temperaturänderungen

  

  gegenübergestellt. Den Berechnungen gemäß Formel 4 wurde dabei ein Volumen V_21,22 jedes PTC-Elements 21, 22 von 14,5 × 14,5 × 1,4 mm³ eine Dichte ρ(BaTiO₃) jedes PTC-Elements 21, 22 von 5.900 kg/m³ und eine spezifische Wärmekapazität c_p(BaTiO₃) von 460 J kg^–1 K^–1 zugrunde gelegt. Das dargestellte Ergebnis ist plausibel, da die gemessene Abkühlung geringer ist, als jene welche sich bei konstanter Wärmeabgabe von den PTC-Elementen 21, 22 zum Heizelement 1 ergeben würde.
• Zur Beschreibung der Abkühlrate der PTC-Elemente 21, 22 ist die Kenntnis des thermischen Kontaktkoeffizienten W zwischen den PTC-Elementen 21, 22 und dem Heizelement 1 notwendig. Durch Vergleichen der berechneten Abkühlung mit der gemessenen Abkühlung lässt sich umgekehrt auf einen Kontaktkoeffizienten W schließen. Hierzu wird die erwartete zeitliche Temperaturänderung ΔT(t) gemäß Formel 6 berechnet, wobei ΔT₀ aus Formel 4 erhalten wird:

  
• In 6 ist der thermische Kontaktkoeffizient W der Breite b des äquivalenten Luftspalts in Abhängigkeit von der Temperatur T_21,22 der PTC-Elemente 21, 22 gegenübergestellt. Der thermische Kontaktkoeffizient W befindet sich in einer für eine Pressverbindung plausiblen Größenordnung entsprechend einem Luftspalt der Dicke 1 µm. Eine Abnahme der Pressung ist wegen der Temperaturausdehnung von Aluminium plausibel.

Claims (5)

1. Verfahren zur Prüfung einer Heizvorrichtung, welche ein Heizelement (1) und mindestens ein PTC-Element (21, 22) mit einem Kontaktvermittler umfasst, umfassend – Beaufschlagen des mindestens einen PTC-Elements (21, 22) mit einer getakteten Spannung U, – Messen eines Stroms I am PTC-Element (21, 22), – Berechnen einer Stromdifferenz ΔI zwischen einem Strom I₁ unmittelbar vor Beginn einer Ausschaltphase der getakteten Spannung U und einem Strom I₂ unmittelbar nach Beginn einer Einschaltphase der getakteten Spannung U, und – Erkennen auf einen unzureichenden Kontakt zwischen Heizelement (1) und PTC-Element (21, 22), wenn die Stromdifferenz ΔI einen Stromschwellenwert ΔI_max überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromschwellenwert ΔI_max gemäß der folgenden Formel berechnet wird:

   

   wobei ΔT_max die maximal tolerierbare Temperaturänderung des PTC-Elementes (21, 22) über die Ausschaltphase angibt und R(T) den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand des PTC-Elements (21 22) bezeichnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal tolerierbare Temperaturänderung ΔT_max gemäß der folgenden Formel berechnet wird:

   

   wobei Q . einen Wärmestrom im Prüfpunkt angibt, t_aus die Dauer einer Ausschaltphase der getakteten Spannung U ist, W_min ein minimal erforderlicher thermischen Kontaktkoeffizient zwischen der Heizvorrichtung (1) und dem PTC-Element (21, 22) ist, A eine Kontaktfläche zwischen der Heizvorrichtung (1) und dem PTC-Element (21, 22) ist, m₁ die Masse der Heizvorrichtung (1) ist, m₂ ist die Masse des PTC-Elements (21, 22) ist, c_p,1 die Wärmekapazität der Heizvorrichtung (1) ist und c_p,21,22 die Wärmekapazität des PTC-Elements (21, 22) ist.
4. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
5. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wenn das Programm auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.

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