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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einem Glühzeitsteuergerät zum Betreiben einer Anzahl von n Glühkerzen nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der
DE 197 44 924 C2 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben von Glühkerzen bekannt, bei dem eine Messung eines Masseversatzes erfolgt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Glühzeitsteuergerät zum Betreiben einer Anzahl n Glühkerzen hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Masseversatz, der bei Beaufschlagung der Glühkerzen mit einem Heizstrom verursacht wird, gemessen wird. Es wird so nicht nur ein genereller Massenversatz, sondern ein Massenversatz gemessen, der von der Stärke des fließenden Stromes abhängt. Insbesondere kann dabei der Einfluss einer unterschiedlichen Anzahl von betätigten Glühkerzen berücksichtigt werden. Es wird so eine verbesserte Qualität der Ansteuerung der Glühkerzen erreicht. Diese verbesserte Qualität äußert sich in einer genaueren Temperaturkontrolle, wodurch die Lebensdauer der Glühkerzen verbessert wird. Es wird so auch der Wartungsaufwand für einen Motor verringert, in dem die Glühkerzen verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Durch eine vorteilhafte Anordnung der Einschaltbruchteile der Kerzen kann der Gesamtstrom möglichst gleichmäßig über die Periode verteilt werden. Es kann so das Auftreten von Schwankungen des Stromflusses und somit das Auftreten von elektromagnetischen Störungen verringert werden. Insbesondere wird der Masseversatz verwendet um einen Einschaltbruchteil des PWM Signals in Abhängigkeit von dem ermittelten Masseversatz zu korrigieren. Dabei kann durch eine Mehrfachmessung die Qualität der Messung verbessert werden. Der jeweils ermittelte Masseversatz für x – 1 Kerzen wird immer dann verwendet, wenn aufgrund des verwendeten Einschaltbruchteils des PWM Signals die Anzahl der während einer Einschaltperiode aktivierten Kerzen zwischen x und x – 1 liegen. Es wird so zuverlässig ein Überhitzen der Glühkerzen verhindert. Weiterhin wird der Einschaltbruchteil in Abhängigkeit von Betriebsparametern eines Motors in den die Glühkerzen eingebaut sind ermittelt. Es kann so eine Anpassung des Einschaltbruchteils bzw. der Heizleistung an die jeweiligen Betriebsparameter des Motors erfolgen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Glühzeitsteuergeräts und vier Glühkerzen,
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2 eine Vorrichtung zur Messung des Massenversatzes und
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3 und 4 die durch die vier Glühkerzen fließenden Ströme bei unterschiedlichen Einschaltbruchteilen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 werden schematisch vier Glühkerzen 1 und ein Glühzeitsteuergerät 2 gezeigt. Das Glühzeitsteuergerät 2 ist mit einem Anschluss 14 mit einer positiven Batteriespannung verschwunden. Weiterhin ist das Steuergerät 2 mit einem Masseanschluss 11, der auch als Batteriemasse oder Fahrzeugmasse bezeichnet wird verbunden. Das Glühzeitsteuergerät 2 ist mittels vier Ansteuerleitungen mit den vier Glühkerzen 1 verbunden, wobei jede dieser Glühkerzen 1 individuell von dem Glühzeitsteuergerät 2 mit der positiven Batteriespannung 14 verbunden werden kann. Wenn diese Verbindung besteht, so fließt ausgehend von der positiven Batteriespannung 14 über die Glühkerzen 1 ein Strom über die Glühkerzen. Der Stromfluss erfolgt dabei über einen Massewiderstand 13. Die Glühkerzen 1 sind üblicherweise mit dem Motorblock verbunden und der Motorblock ist mittels eines Massekabels mit der Batteriemasse bzw. Fahrzeugmasse 11 verbunden. Dabei kann es zu einem nicht vernachlässigbaren Widerstand kommen, der in der 1 als der Massewiderstand 13 dargestellt ist. Aufgrund dieses Massewiderstandes 13 ist ein gemeinsamer Masseanschluss 12, der auch als Motormasse bezeichnet wird vom Potential her unterschiedlich von der Batteriemasse 11. Besonders störend ist, dass dieser Potentialunterschied zwischen der Motormasse 12 und der Batteriemasse 11 nicht fest ist, sondern variiert, insbesondere variiert dieser Potentialunterschied in Abhängigkeit vom Stromfluss durch die Glühkerzen 1. Die Motormasse 12 und die Batteriemasse 11 unterscheiden sich somit in Abhängigkeit davon, wie viele der Glühkerzen 1 jeweils mit einem Strom beaufschlagt werden. Erfindungsgemäß werden nun ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, die diesen Masseunterschied und insbesondere auch den stromabhängigen Masseunterschied ermitteln.
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In der 2 wird die Schaltung zur Messung des Masseversatzes schematisch dargestellt. In der 2 wird eine einzelne Glühkerze 1 der 1 dargestellt. Die Glühkerze 1 ist mit der Motormasse 12 verbunden. Der andere Anschluss der Glühkerze 1 ist über einen Schalter 20 mit der positiven Batteriespannung 14 verbindbar. Dieser Schalter 20 ist im Glühzeitsteuergerät 2 angeordnet und dient dazu im Rahmen der von dem Glühzeitsteuergerät 2 realisierten Ansteuerstrategie die Glühkerze 1 mit der positiven Batteriespannung 14 zu beaufschlagen. Zwischen dem Schalter 20 und 1 ist ein Anschluss eines ersten Widerstandes 21 angeschlossen. Der andere Anschluss des Widerstandes 21 ist mit dem Eingang eines AD-Wandlers 23 verbunden. Weiterhin ist der Eingang des AD-Wandlers 23 bzw. der zweite Anschluss des ersten Widerstandes 21 über einen zweiten Widerstand 22 mit einer Bezugsspannung 15 verbunden. Diese Bezugsspannung 15 wurde aus der positiven Batteriespannung 14 abgeleitet und der AD-Wandler 23 misst somit die Spannung am Eingang gegen die Batteriemasse 11. Wenn der Schalter 20 geöffnet ist, bilden der zweite Widerstand 22, der erste Widerstand 21 und die Glühkerze 1 einen Spannungsteiler, wobei das Potential am Eingang des Analogdigitalwandlers 23 auch vom Unterschied zwischen der Motormasse 12 und der Batteriemasse 11 abhängt. Da der Widerstand der Glühkerze 1 sehr gering ist, ist der Einfluss des Widerstandes der Glühkerze 1 im Verhältnis zum ersten Widerstand 21 und zweiten Widerstand 22 vernachlässigbar. Der Unterschied zwischen der Batteriemasse 11 und der Motormasse 12 kann bei typischen Spannungen in einem Fahrzeug in der Größenordnung von 12 Volt, einige Volt bspw. ±3 Volt betragen. Durch Messung der Eingangsspannung des Analogdigitalwandlers 23 kann daher der Potentialunterschied zwischen Batteriemasse 11 und Motormasse 12 ermittelt werden.
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Das Glühzeitsteuergerät 2 wählt in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Motors in dem die Glühkerzen 1 eingebaut sind eine gewünschte Temperatur für die Glühkerzen 1 bzw. eine Spannung mit der die Glühkerzen 1 beaufschlagt werden. Diese Spannung mit der die Glühkerzen beaufschlagt werden, wird durch ein pulsweiten moduliertes Signal an den Glühkerzen 1 realisiert. Dazu wird eine Periodendauer des pulsweiten modulierten Signals gewählt und dann für einen Bruchteil dieser Periode die Glühkerze 1 mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt. Für den restlichen Teil der Periode wird dann die Glühkerze nicht mit der Spannung 14 verbunden. Die Phase in der die Glühkerze mit der Spannung 14 verbunden ist, wird im Folgenden als Einschaltbruchteil bezeichnet. Je größer der Einschaltbruchteil gewählt wird, umso stärker werden die Glühkerzen 1 geheizt. Auch im deutschen Sprachgebrauch wird der Einschaltbruchteil oft mit dem englischen Begriff „duty cycle“ bezeichnet. Der Einschaltbruchteil kann entweder als Prozentangabe oder aber als Bruch zwischen 0 und 1 angegeben werden. Ein Einschaltbruchteil von 50% oder ½ bedeutet, dass die Glühkerze für die Hälfte der Periodenlänge mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt wird und für die Hälfte nicht. Ein Einschaltbruchteil von ¼ oder 25% bedeutet, dass die Glühkerze 1 zu einem Viertel mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt ist und zu ¾ nicht.
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In den 3 und 4 werden die Ströme durch vier Glühkerzen, wie sie in der 1 gezeigt werden, bei unterschiedlichen Einschaltbruchteilen gezeigt. In der 3 wird ein Einschaltbruchteil von 14% und in der 4 ein Einschaltbruchteil von 72% gezeigt. Im Diagramm 3.1 und 4.1 werden die Ströme durch die erste Glühkerze gezeigt. In den Diagrammen 3.2 und 4.2 werden die Ströme durch die zweite Glühkerze gezeigt. Im Diagramm 3.3 und 4.3 werden die Ströme durch die dritte Glühkerze gezeigt. Im Diagramm 3.4 und 4.4 werden die Ströme durch die vierte Glühkerze gezeigt. In den Diagrammen 3.5 und 4.5 werden die Summenströme, d. h. die aufaddierten Ströme durch alle Glühkerzen gezeigt. Die Ströme durch die einzelnen Glühkerzen sind jeweils auf eins normiert, wodurch sich ein maximaler Summenstrom von 4 ergibt, wenn alle Kerzen gleichzeitig mit der Batteriespannung 14 verbunden sind.
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In der 3 wird ein Einschaltbruchteil von 14% gezeigt. Dazu werden nacheinander die Glühkerzen für 14% der Periode eingeschaltet, sodass im Summenstrom 3.5 von 0% bis 56% ein Strom von 1 und für den Rest der Periode ein Strom von 0 anliegt. Nur wenn der Einschaltbruchteil ein ganzzahliger Teiler der Anzahl n der Glühkerzen beträgt, wird der Summenstrom kontinuierlich über die gesamte Dauer der Periode einen Wert annehmen. Bei allen Werten zwischen derartigen ganzzahligen Teilern der Kerzenanzahl n wird der Summenstrom seinen Pegel während der Periode verändern. Wenn bspw. der Einschaltbruchteil 25% (d. h. ¼ beträgt) so könnten die Einschaltdauern der Kerzen so angeordnet werden, dass konstant ein Summenstrom von 1 möglich ist. Wenn der Einschaltbruchteil 50% oder 2/4 beträgt, so können die Einschaltdauern der einzelnen Kerzen so angeordnet werden, dass der Summenstrom konstant einen Wert von 2 annimmt. Wenn der Einschaltbruchteil ¾ beträgt, so können die Einschaltdauern so angeordnet werden, dass der Summenstrom konstant den Wert 3 annimmt. Bei einem Einschaltbruchteil von 4/4 würde der Summenstrom konstant den Wert 4 über die ganze Periode hinweg anzeigen. Wenn der Einschaltbruchteil zwischen diesen ganzzahligen Teilern liegt, so müssen immer zu einem gewissen Bruchteil eine höhere Anzahl von Glühkerzen und für einen bestimmten Bruchteil eine geringere Anzahl von Glühkerzen mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt werden.
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Die Einschaltbruchteile der einzelnen Kerzen können vorteilhaft über die Periode angeordnet werden um einen Summenstrom der Kerzen zu optimieren. Wenn beispielsweise bei der 3 alle Kerzen zum Beginn der Periode gleichzeitig mit Strom versorgt werden, so wird für einen kurzen Zeitraum (14% der Periode) ein großer Strom durch alle Kerzen fließen und für den Rest der Periode kein Strom. Ein solches Vorgehen sorgt für eine große Ungleichheit des Gesamtstromes und ist nachteilhaft weil starke elektromagnetische Störungen auftreten. Um zu erreichen dass der addierte Strom in seiner Höhe möglichst gleichmäßig ist werden die Einschaltbruchteile in der 3 möglichst gleichmäßig auf die Periode verteilt, so dass für einen Einschaltbruchteil zwischen (x – 1):n und x:n entweder x oder x – 1 Glühkerzen mit Spannung beaufschlagt werden. Die in der 3 gezeigte Anordnung der Einschaltvorgänge jeweils zusammenhängend nacheinander sorgt im Ergebnis für einen möglichst gleichmäßigen Summenstrom bei dem der Stromfluss über einen zusammenhängen Bereich von 56% auf dem Wert von 1 und 44% auf dem Wert von 0 ist. Dazu wird die Einschaltdauer einer Kerze immer dann begonnen wenn die Einschaltdauer einer anderen Kerze endet. Es wird so eine gleichmäßige Verteilung erreicht.
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Ein alternatives Verfahren legt den Beginn des Einschaltens der ersten Kerze an den Beginn der Periode, den Beginn des Einschaltens der zweiten Kerze bei 25% der Periode, den Beginn des Einschaltens der dritten Kerze bei 50% und der vierten Kerze bei 75% der Periode. Der Summenstrom ist so auch gleichmäßiger auf die Periode verteilt, es kommt so aber zu häufigeren Schaltflanken da der Strom mehrfach zwischen einem Wert von 1 und 0 schwankt. Diese Vorgehensweis ist zwar besser als ein gleichzeitiges Einschalten gleichzeitig aber nicht so gut wie das in der 3 gezeigte Verfahren.
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Entsprechend wird in der 4 ein Einschaltbruchteil von 72% dargestellt. Bei optimierter Anordnung bei der maximal immer nur drei Glühkerzen mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt werden, werden so für 88% drei Kerzen und für 12% nur zwei Kerzen mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt. Auch hier wäre die alternative Vorgehensweise mit einem Beginn des Einschaltens jeweils einer Kerze bei 0%; 25%, 50% und 75% der Periode möglich, was aber auch wieder zu einem verstärkten Auftreten von Schaltflanken des Summenstromes führt.
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In den 3 und 4 wird jeweils ein Beispiel mit vier Glühkerzen gezeigt. Verallgemeinert auf n Glühkerzen können bei der Ansteuerung je nach Wahl des Einschaltbruchteils zwischen einer und n Glühkerzen mit der Batteriespannung beaufschlagt werden. Durch geschickte Anordnung bei der jeweils eine minimale Anzahl von Glühkerzen gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt wird, lässt sich aber auch bei n Kerzen die Höhe des addierten Stromes möglichst gleichmäßig ausgestalten. Zur Beschreibung dieses Sachverhaltes wird eine Anzahl x verwendet. Bei einer Anzahl handelt es sich immer um eine natürliche Zahl, also 1, 2, 3 bis hin zu einem Maximum von n. Wenn der Einschaltbruchteil zwischen (x – 1):n und x:n liegt, so werden entweder x oder x – 1 Glühkerzen mit Spannung beaufschlagt. Der Massenstrom wird somit auf einen Strom begrenzt, der maximal durch x Glühkerzen gleichzeitig fließt. Es kann so durch geschickte Anordnung der addierte Strom begrenzt werden.
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Es hat sich nun herausgestellt, dass der Massenversatz, d. h. der Spannungsunterschied zwischen der Motormasse 12 und der Batteriemasse 11 von dem Summenstrom, der durch die Glühkerzen 1 fließt abhängt. Der Massenversatz hängt also davon ab, wie groß die Anzahl x an maximal bestromten Kerzen ist. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, im Fall der 3, d. h. wenn der Einschaltbruchteil geringer ist als 1:n die Massenversatzmessung vorzunehmen, wenn eine der Glühkerzen mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt ist.
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Wenn der Einschaltbruchteil zwischen (x – 1):n und x:n liegt, wobei x größer als 1 ist und eine natürliche Zahl kleiner als n ist, so erfolgt die Messung des Masseversatzes dann wenn x – 1 Glühkerzen mit Spannung beaufschlagt sind. In dem Beispiel nach der 4 für vier Glühkerzen erfolgt somit die Messung des Masseversatzes nicht wenn drei Kerzen mit Spannung beaufschlagt sind, sondern zu einem Zeitpunkt bei dem der Summenstrom 2 beträgt, d. h. zwei Glühkerzen mit der Batteriespannung 14 beaufschlagt sind. Dies liegt darin begründet, dass der Masseversatz mit steigendem Strom ansteigt und somit bei drei Glühkerzen größer ist als bei zwei Glühkerzen, die mit Batteriespannung 14 beaufschlagt sind. Da der Masseversatz genutzt wird um den Einschaltbruchteil zu korrigieren würde somit bei der Beaufschlagung von nur zwei Kerzen mit dem bei drei Glühkerzen gemessenen Masseversatz zu einer zu starken Erhitzung der Glühkerzen führen, was mit einer verringerten Lebensdauer verbunden ist. Umgekehrt führt eine Verwendung des Masseversatzes der bei zwei mit Batteriespannung beaufschlagten Glühkerzen bei drei Kerzen zu einer Absenkung der Temperatur, was auf jeden Fall nicht mit einer verringerten Lebensdauer verbunden ist. Es wird daher vorgeschlagen, für einen Einschaltbruchteil zwischen (x – 1):n und x:n den Masseversatz zu ermitteln, wenn x – 1 Glühkerzen mit Spannung beaufschlagt werden und diesen dann für die Korrektur des Einschaltbruchteils zu verwenden.
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In dem Beispiel nach der 4 erfolgt somit die Masseversatzmessung zwischen 88% bis 100% der Periodenlänge, d. h. in dem Zeitbereich in dem nur gleichzeitig zwei Kerzen mit Batteriespannung beaufschlagt sind.
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Da jede Messung mit einem bestimmten Messfehler behaftet ist, ist es weiterhin Vorteil, nicht nur eine einzige Messung sondern mehrere Messungen vorzunehmen und aus diesen mehreren Messungen einen Mittelwert zu bilden. Dabei können entweder mehrere Messungen zeitlich kurz hintereinander erfolgen oder aber es können Messungen zwischen verschiedenen pulsweiten Perioden betrachtet werden.
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Da das Ausmaß des Masseversatzes davon abhängt, wie die Motormasse 12 mit der Batteriemasse 11 verbunden ist, kann der Masseversatz bestimmten Schwankungen unterworfen sein. Diese Schwankungen können sehr schnell erfolgen, bspw. bei einem losen Massekabel oder aber sehr langsam erfolgen bspw. durch Korrosion. Wenn die Änderung des Masseversatzes sehr langsam erfolgt, so kann es ausreichend sein, eine derartige Messung des Masseversatzes nur von Zeit zu Zeit vorzunehmen. In diesem Fall würde es daher ausreichen, von Zeit zu Zeit den Masseversatz in Abhängigkeit davon, welche Anzahl x, wobei x kleiner als n ist, von n Glühkerzen aktiviert werden. Diese Werte könnten dann gespeichert werden und für einen langen Zeitraum zur Kompensation des Masseversatzes verwandt werden. Wenn der Masseversatz sehr häufig schwankt, so sollte die Messung des Masseversatzes beim Betrieb der Glühkerzen kontinuierlich erfolgen um sicher zu stellen, dass jeweils ein aktueller Masseversatz für die Kompensation zur Verfügung steht. Die entsprechende Messhäufigkeit muss entsprechend an den Motor in dem die Glühkerzen 1 eingebaut sind angepasst werden. Die Auswahl der Messhäufigkeit kann auch automatisiert erfolgen, in dem zunächst mit relativ großen Zeitabständen gemessen wird. Wenn jedoch starke Unterschiede zur vorhergehenden Messung festgestellt werden, so wird als Reaktion darauf die Messhäufigkeit erhöht. Entsprechend kann die Messhäufigkeit verringert werden, wenn immer wieder der gleiche Wert gemessen wird.
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Die Kompensation des Einschaltbruchteils erfolgt durch eine entsprechende Verkürzung oder Verlängerung der Einschaltbruchteile. Wenn bspw. bei einer Batteriespannung von 12 Volt der Masseversatz 1,2 Volt beträgt, so müsste der Einschaltbruchteil um 10% erhöht werden, bspw. von 25% auf 27,5%. Wenn der Masseversatz bei einer Batteriespannung von 12 Volt –1,5 Volt beträgt, so müsste der Einschaltbruchteil um 10% verringert werden, bspw. von 25% auf 22,5%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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