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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung für eine Brennkraftmaschine und die Verwendung der elektrischen Heizeinrichtung.
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Stand der Technik
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DE 10 2013 214 558 A1 bezieht sich auf eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem Heizelement, das ein geschlossenes Glührohr, eine elektrisch leitfähige Heizwendel, einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen, der mit der Heizwendel elektrisch verbunden ist, und ein Füllmaterial aufweist. Dieses ist in einem Glührohr vorgesehen, wobei die Heizwendel zumindest teilweise in eine Axialbohrung eines Anschlussbolzens aufgenommen ist. Die Heizwendel besteht aus einem temperaturfesten Werkstoff mit einem für einen elektrischen Leiter hohen spezifischen elektrischen Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten. Das Füllmaterial besteht zumindest teilweise aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Des Weiteren offenbart
DE 10 2013 214 558 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze, wobei das Glührohr zumindest teilweise mit einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands befüllt wird.
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DE 10 2013 217 703 A1 bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung mit Übertemperaturschutzkörper. Die elektrische Heizeinrichtung wird in einer Brennkraftmaschine eingesetzt, und umfasst mindestens ein Widerstandselement. Das Widerstandselement ist mit mindestens einem Übertemperaturschutzkörper verbunden, der einen Formgedächtniswerkstoff enthält. Des Weiteren offenbart
DE 10 2013 217 703 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen elektrischen Heizeinrichtung. Bei dem Formgedächtniswerkstoff kann es sich um eine Formgedächtnislegierung, eine Formgedächtniskeramik, ein Formgedächtnispolymer oder um Kombinationen hieraus handeln.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Heizeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Regelwendel und einer Heizwendel, die in einem Gehäuse eingelassen sind, das mit einem isolierende Eigenschaften aufweisenden Füllstoff befüllt ist. Im Bereich einer Verbindungsstelle von Regelwendel und Heizwendel einerseits und dem Gehäuse andererseits, oder zwischen einer Heizwendel einerseits und dem Gehäuse andererseits, ist entweder ein temperaturabhängiges Kurzschlusselement oder eine Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente vorgesehen, deren elektrische Leitfähigkeit sich temperaturabhängig ändert und diese Änderung ein elektrisches Signal erzeugt.
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Das durch die temperaturabhängige Änderung der elektrischen Leitfähigkeit generierte elektrische Signal kann zur Temperaturregelung der elektrischen Heizeinrichtung verwendet werden. Dadurch lässt sich eine kostengünstige Temperaturregelung einer elektrischen Heizeinrichtung, beispielsweise zum Einsatz bei Verbrennungskraftmaschinen realisieren, da keine keramischen oder Ein-Wendel-Heizeinrichtungen erforderlich sind.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Heizeinrichtung wird das temperaturabhängige Kurzschlusselement oder die Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente bei Erwärmung elektrisch leitfähig, und bei Erreichen einer ersten, unteren Bypass-Temperatur sinkt der elektrische Widerstand sprunghaft. Andererseits ist die elektrische Heizeinrichtung so ausgebildet, dass der elektrische Widerstand des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes oder der Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente oberhalb einer zweiten, oberen Bypass-Temperatur wieder ansteigt.
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In Weiterbildung der vorgeschlagenen Lösung kann diese Effekte ausnutzend das Durchschreiten eines Temperaturbereiches zwischen der ersten, unteren Bypass-Temperatur und der zweiten, oberen Bypass-Temperatur durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement oder die Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches durch ein Steuergerät detektiert und gegebenenfalls ausgewertet werden kann.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend fließt bei Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur ein Teil des elektrischen Stromes als temperaturabhängiger Parallelstrom über das temperaturabhängige Kurzschlusselement, der verbleibende Teil des elektrischen Stromes über die Heizwendel.
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Analog verhält es sich bei der Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente. Bei Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur fließt ein Teil des elektrischen Stromes als temperaturabhängiger Parallelstrom über die Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente, der verbleibende Teil des elektrischen Stromes über die Heizwendel.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Heizeinrichtung ist das temperaturabhängige Kurzschlusselement oder die Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente in mehreren Ausprägungen darstellbar:
- Das temperaturabhängige Kurzschlusselement kann beispielsweise als Draht ausgeführt sein, bei dem mittels einer stoffschlüssigen Verbindung ein erster Drahtabschnitt aus Material mit PTC-Verhalten und ein zweiter Drahtabschnitt aus Material mit NTC-Verhalten miteinander gefügt sind.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, das temperaturabhängige Kurzschlusselement als Pulvermischung darzustellen, deren elektrische Leitfähigkeit und damit der elektrische Widerstand über das Mischungsverhältnis innerhalb der verschiedenen Komponenten der Pulvermischung eingestellt werden kann.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, das temperaturabhängige Kurzschlusselement als Kontaktring mit temperaturabhängigem Widerstand auszuführen. In diesem Falle kann der Kontaktring beispielsweise als Doppelring ausgeführt sein. Im Falle der Ausführung des Kontaktringes als Doppelring wird beispielsweise der Innenring des Doppelringes aus Material mit NTC-Verhalten gefertigt, während der Außenring des Doppelringes aus Material mit PTC-Verhalten gefertigt ist.
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Es sind verschiedene Einbauorte denkbar, an denen das temperaturabhängige Kurzschlusselement oder die Zweifachanordnungstemperatur aus temperaturabhängigen Kurzschlusselementen an der elektrischen Heizeinrichtung verbaut werden können:
- In einer ersten Einbauposition befindet sich das temperaturabhängige Kurzschlusselement oder die Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente innerhalb des Gehäuses bzw. Glührohres im Bereich der Heizwendel.
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Eine zweite Einbauposition des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes bzw. der Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente liegt beispielsweise im Bereich eines Anschlussbolzens und eines Vitonringes, innerhalb eines Gehäuses. Dadurch kann beispielsweise an dieser zweiten Einbauposition ein Übertemperaturschutz dargestellt werden.
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Eine dritte Einbauposition des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes oder der Zweifachanordnung aus temperaturabhängigen Kurzschlusselementen liegt im Bereich eines Rundsteckers am oberen Teil der elektrischen Heizeinrichtung, beispielsweise einer Glühstiftkerze der Verbrennungskraftmaschine. Auch dort kann durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement bzw. die Zweifachanordnung aus temperaturabhängigen Kurzschlusselementen ein Übertemperaturschutz dargestellt werden. Eine Verwendung der elektrischen Heizeinrichtung liegt beispielsweise in der Detektion einer Grenztemperatur durch einen sprunghaften Stromanstieg, der mittels eines Steuergerätes ausgewertet wird.
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Eine weitere Verwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Heizeinrichtung ist dadurch gegeben, dass diese in einen vorhandenen Sensor beispielsweise einen λ-Sensor integriert werden kann, zur Detektion des Zeitpunktes, an dem eine bestimmte Grenztemperatur auf Grund eines mit dieser einhergehenden Stromanstieges vorliegt.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Heizeinrichtung bietet eine kostengünstige Temperaturregelung beispielsweise für elektrische Heizeinrichtungen in Gestalt von Glühstiftkerzen, die beispielsweise an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung macht den Einsatz keramischer oder Ein-Wendel-Glühkerze überflüssig und stellt eine besonders kostengünstige Lösung dar.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Heizeinrichtung erzeugt einen temperaturanhängigen Parallelstrom, solange sich die Temperatur innerhalb eines definierten Temperaturbereiches befindet. Der Nutzen der elektrischen Heizeinrichtung liegt in einer vereinfachten Temperaturregelung, da das Steuergerät nur einen Impuls im elektrischen Stromverlauf zu erkennen braucht und keinerlei Berechnungen durchzuführen sind. Das Steuergerät kann bei Erkennen des Impulses d.h. des Strompeaks, die Spannung reduzieren und die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten. Diese Funktion kann als Zusatzfunktion auch in bereits vorhandene Steuergeräte integriert werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich auf besondere Weise ausnutzen, dass bei Erreichen einer unteren Bypass-Temperatur sich der elektrische Strom erhöht und diese Erhöhung durch das Steuergerät erkannt wird. Auch das Überschreiten einer oberen Bypass-Temperatur kann durch den umgekehrten Effekt, d.h. einer absinkenden Stromstärke, erkannt werden. Somit ist das Steuergerät, mit welchem die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Heizeinrichtung verbunden ist, in der Lage, ein Überschreiten zuvor festgelegter Temperaturwerte zu erkennen. Damit lässt sich eine vereinfachte Temperaturregelung, ein Überhitzungsschutz oder ein Übertemperaturschutz realisieren. Beim Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur beispielsweise teilt sich der elektrische Strom in zwei Teile auf. Ein Teil fließt als temperaturabhängiger Parallelstrom über das Kurzschlusselement und der Rest über die Heizwendel. Durch den verringerten Strom in der Heizwendel wird sich das Aufheizen verlangsamen oder kommt ganz zum Erliegen. Es kann hier durch thermische Trägheit des Systems ausgeglichen werden. Die Trägheit beim Aufheizen führt nach dem Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur zu einem weiteren Temperaturanstieg im Inneren der elektrischen Heizeinrichtung (Hitzestau). Der Innenbereich erwärmt sich somit durch den Hitzestau weiter. Bei Erreichen der zweiten, oberen Bypass-Temperatur erhöht sich der Bypass-Widerstand wieder, so dass elektrische Energie wieder vollständig durch die Heizwendel strömt. Wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ein besonders enger Temperaturbereich für die Bypass-Temperatur, d.h. Kurzschlussfunktion gewählt, kann der Energieverlust durch den Kurzschlussstrom auf ein Minimum reduziert werden. Die Erzeugung eines messbaren, elektrisch temperaturabhängigen Signals verursacht nur eine geringere Verlustleistung.
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In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung auch eine Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente realisiert werden. Beispielsweise kann die elektrische Heizeinrichtung innerhalb der Zweifachanordnung mit zwei identischen temperaturabhängigen Kurzschlusselementen versehen sein, die sich an räumlich unterschiedlichen Positionen der elektrischen Heizeinrichtung befinden. Somit erwärmen sie sich während der Aufheizphase der elektrischen Heizeinrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten, so dass die entsprechenden Stromanstiegswerte zeitversetzt auftreten. Mit Hilfe dieser Anordnung, d.h. einer Zweifachanordnung aus zwei temperaturabhängigen Kurzschlusselementen, kann eine genauere Temperaturregelung erreicht werden. In einer weiteren vorteilhaften Variante können zwei unterschiedliche temperaturabhängige Kurzschlusselemente innerhalb der Zweifachanordnung angesetzt werden. Die beiden unterschiedlichen temperaturabhängigen Kurzschlusselemente unterscheiden sich beispielsweise durch das Material, so dass diese auf unterschiedliche Temperaturen reagieren. Dies bedeutet, dass zwei unterschiedliche Bypass-Signale erzeugt werden, jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen der erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung.
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Durch die Anordnung der Bypass-Elemente an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Heizeinrichtung, kann das Heizsystem eine genauere Temperatur einhalten. Dazu wird die Spannung derart variiert, dass die Temperatur zwischen der oberen und der unteren Bypass-Temperatur jeweils pendelt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, kann ein Bypass-Element auch die Heizfunktion gänzlich abschalten, bzw. den Strom entsprechend umleiten, um eine Überhitzung zu verhindern. Über das Bypass-Element wird bei Erreichen der Bypass-Temperatur der Kurzschluss hervorgerufen, so dass in diesem Falle ein Eingriff des Steuergerätes nicht benötigt ist.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1- 3 elektrische Heizeinrichtungen mit einem temperaturabhängigen Kurzschlusselement,
- 4 eine keramische Glühkerze mit einem keramischen Heizleiter,
- 5 der Verlauf des elektrischen Widerstandes aufgetragen über die Temperatur der elektrischen Heizeinrichtung,
- 6 - 8 jeweils elektrische Heizeinrichtungen mit einer Zweifachanordnung temperaturabhängiger Kurzschlusselemente,
- 9 Darstellung des Verlaufes des elektrischen Widerstandes über die Temperatur bei den Ausführungsvarianten gemäß der 6-8,
- 10 eine erste Ausführungsvariante eines Kurzschlusselementes aus Draht im oberen Teil von 10, während im unteren Teil von 10 der Stromverlauf dargestellt ist,
- 11 eine weitere Ausführungsvariante eines Temperaturabhängigen Kurzschlusselementes als Pulvermischung,
- 12 eine Ausführungsvariante des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes als Doppelring und
- 13 Einbaupositionen temperaturabhängigen Kurzschlusselemente an einer elektrischen Heizeinrichtung, die als Glühstiftkerze beschaffen ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagen elektrischen Heizeinrichtung 10 mit einem temperaturabhängigen Kurzschlusselement 22.
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1 zeigt eine elektrische Heizeinrichtung 10, deren Gehäuse oder Glührohr 14 mit einem isolierende Eigenschaften aufweisenden Füllstoff 12 befüllt ist. In diesem Füllstoff 12 sind sowohl eine Regelwendel 16 als auch eine Heizwendel 18 eingelassen, die an einer Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden sind. Im Bereich der Verbindungsstelle 20 ist ein temperaturabhängiges Kurzschlusselement 22 angeordnet. Dieses verbindet die Verbindungsstelle 20 mit dem Material des Gehäuses oder Glührohrs 14 der elektrischen Heizeinrichtung 10.
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In der Darstellung gemäß 1 ist das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 beispielsweise als ein Draht 24 ausgeführt. Am unteren Ende des Gehäuses oder Glührohrs 14 befindet sich eine Schweißkuppe 30.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der elektrischen Heizeinrichtung 10, bei der ebenfalls in einen Füllstoff 12, der im Gehäuse oder Glührohr 14 bevorratet ist, die Regelwendel 16 und die Heizwendel 18 eingebettet sind, und an der Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden sind. Das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 ist in diesem Fall eine als Pulverschicht 26 ausgeführt. Analog zur Ausführungsvariante gemäß 1 befindet sich am unteren Ende des Gehäuses oder Glührohrs 14 der Ausführungsvariante der elektrischen Heizeinrichtung 10 gemäß der Darstellung der 2 die Schweißkuppe 30.
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3 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen elektrischen Heizeinrichtung 10 mit einem temperaturabhängigen Kurzschlusselement 22. In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 als Kontaktring 28 ausgeführt. Auch hier befindet sich im Gehäuse oder Glührohr 14 der Füllstoff 12, in welche sowohl die Regelwendel 16 als auch die Heizwendel 18 eingelassen sind, die an der Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden sind. Am unteren Ende des Gehäuses oder Glührohrs 14 der Darstellung gemäß der Darstellung in 3 ist die Schweißkuppe 30 ausgebildet.
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4 zeigt einen keramischen Heizer 32. Im Inneren des keramischen Heizers 32 d.h. innerhalb des Gehäuses oder Glührohrs 14 befindet sich der Füllstoff 12 beispielsweise eine Isolationskeramik. Im Füllstoff 12 des keramischen Heizers 32 ist eine Leiterbahn 34 eingelassen. Die Leiterbahn 34 umfasst einen Leiterbahnteil 36 mit niedrigem elektrischen Widerstand und einen Leiterbahnteil 38 mit hohem elektrischen Widerstand. Beide Leiterbahnteile 36 und 38 sind mit einem stegförmig ausgebildeten temperaturabhängigen Kurzschlusselement 22 in Stegform ausgeführt, welches ebenfalls in der Füllstoff 12 innerhalb des Gehäuses oder Glührohrs 14 eingebettet ist.
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5 ist der Verlauf des elektrischen Widerstandes 42 über die Innentemperatur 44 der elektrischen Heizeinrichtung 10 zu entnehmen.
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Der elektrische Widerstand 42 verläuft demnach entsprechend der Kurve 46. Beim Aufheizen der elektrischen Heizeinrichtung 10 wird das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 erwärmt. Hierdurch wird dieses materialbedingt elektrisch leitfähig, was bei der ersten, unteren Bypass-Temperatur 48 auftritt. Dort sinkt der elektrische Widerstand 42 des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 sprungartig. Bei sinkendem elektrischen Widerstand steigt der Stromfluss durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22, d.h. es stellt sich ein temperaturabhängiger Parallelstrom ein, der durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 fließt. Bei sinkendem elektrischen Widerstand steigt demnach der Stromfluss durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 und somit der Gesamtstrom durch die elektrische Heizeinrichtung 10. Dieser sprunghaft verlaufende Anstieg des Gesamtstromes kann durch ein Steuergerät 96 (hier nicht dargestellt) detektiert werden. Des Weiteren ist das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 so gestaltet, dass es nur in einem engen Temperaturbereich Strom leitet. Dies bedeutet, dass der Widerstand des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 oberhalb einer bestimmten Temperatur, d.h. der zweiten, oberen Bypass-Temperatur 50, wieder ansteigt.
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Wird diese zweite, obere Bypass-Temperatur 50 erreicht, steigt der Widerstand des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 wieder an und der temperaturabhängige Parallelstrom, der durch das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 fließt, fällt wieder ab.
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Auf diese Weise wird das Durchschreiten eines zuvor festgelegten Temperaturbereiches mittels des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 in ein elektrisch messbares Signal umgewandelt. Der sprunghaft gesunkene Widerstand des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 führt zu einer starken Erhöhung des Gesamtstromes in der elektrischen Heizeinrichtung 10, die durch das nicht dargestellte Steuergerät 96 gemessen bzw. erkannt werden kann.
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Bei Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur 48 erhöht sich der elektrische Strom durch die elektrische Heizeinrichtung 10. Diese Erhöhung kann vom Steuergerät 96 erkannt werden. Auch das Überschreiten der zweiten, oberen Bypass-Temperatur 50 kann durch den umgekehrten Effekt, d.h. ein Absinken des Stroms erkannt werden. Somit kann das Steuergerät 96 das Überschreiten zuvor festgelegter Temperaturwerte erkennen. Diese Information kann zum Beispiel genutzt werden, um vereinfacht eine Temperatur zu regeln oder einen Überhitzungsschutz zu implementieren. Das Temperaturverhalten im Inneren der elektrischen Heizeinrichtung 10 stellt sich wie folgt dar:
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Bei Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur 48 teilt sich der elektrische Strom in zwei Teile. Ein Teil fließt über das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 und der verbleibende Strom über die Heizwendel 18. Durch den verringerten Strom in der Heizwendel 18 wird sich das eigenständige Aufheizen verlangsamen oder ganz zum Erliegen kommen. Dies kann über die thermische Trägheit des Systems ausgeglichen werden. Die Trägheit bezüglich des Aufheizens führt nach dem Erreichen der ersten, unteren Bypass-Temperatur 48 zu einem weiteren Temperaturanstieg im Inneren der elektrischen Heizeinrichtung 10 (Hitzestau). Der Innenbereich erwärmt sich somit durch den Hitzestau weiter. Bei Erreichen der zweiten, oberen Bypass-Temperatur 50, erhöht sich der Widerstand im temperaturabhängigen Kurzschlusselement 22 wieder, so dass der elektrische Strom wieder vollständig durch die Heizwendel 18 strömt und die elektrische Heizeinrichtung 10 von innen aufgeheizt wird. Wird ein enger Temperaturbereich für diese Bypass-Funktion des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 gewählt, kann der Energieverlust durch den Kurzschlussstrom auf ein Minimum reduziert werden. Die Erzeugung eines messbaren elektrischen temperaturabhängigen Signals bewirkt nur eine geringe Verlustleistung.
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Den Darstellungen gemäß der 6 bis 8 ist eine weitere Ausführungsvariante der elektrischen Heizeinrichtung 10 zu entnehmen, bei der eine Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zum Einsatz kommen.
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So ist der Darstellung gemäß 6 beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung 10 zu entnehmen, in deren Gehäuse oder Glührohr 14 der Füllstoff 12 bevorratet wird, in den sowohl die Regelwendel 16 als auch die Heizwendel 18 eingebettet sind. Die Regelwendel 16 und die Heizwendel 18 sind an der Verbindungsstelle 20 miteinander verbunden. In diesem Falle kommt eine Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zum Einsatz, die beispielsweise als Draht 24 ausgebildet sein kann. Am unteren Ende des Gehäuses oder Glührohrs 14 befindet sich analog zur ersten Ausführungsvariante der elektrischen Heizeinrichtung 10 die Schweißkuppe 30.
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In der Ausführungsvariante gemäß 7 kommt ebenfalls eine Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zum Einsatz. In dieser Ausführungsvariante sind die beiden übereinanderliegend am Gehäuse oder Glührohr 14 angeordneten temperaturabhängigen Kurzschlusselemente der Zweifachanordnung 52 als Pulverschichten 26 ausgeführt. Diese liegen räumlich getrennt übereinander im Gehäuse oder Glührohr 14. Im Gehäuse oder Glührohr 14 sind die Regelwendel 16 und die Heizwendel 18 in den Füllstoff 12 eingebettet, der isolierende Eigenschaften aufweist. Am unteren Ende des Gehäuses oder Glührohrs 14 befindet sich die Schweißkuppe 30.
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8 zeigt eine Ausführungsvariante der Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente der elektrischen Heizeinrichtung 10, wobei die Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zwei räumlich getrennt im Gehäuse oder Glührohr 14 übereinanderliegend angeordnete Kontaktringe 28 aufweist. Analog zu den Ausführungsvarianten gemäß der 6 und 7 sind die Regelwendel 16 und die mit dieser anderen Verbindungsstelle 20 verbundene Heizwendel 18 in den Füllstoff 12 mit isolierenden Eigenschaften eingebettet, der im Gehäuse oder Glührohr 14 der elektrischen Heizeinrichtung 10 gemäß der Darstellung in 8 bevorratet ist.
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Den Ausführungsvarianten der elektrischen Heizeinrichtungen 10 gemäß der 6, 7 und 8 ist gemeinsam, dass die Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zum Einsatz kommt. Die elektrische Heizeinrichtung 10 kann dabei zwei identische temperaturabhängige Kurzschlusselemente 22 in Zweifachanordnung 52 umfassen, die sich an räumlich unterschiedlichen Positionen des Gehäuses oder Glührohrs 14, in der Regel übereinanderliegend befinden, so dass diese sich während der Aufheizphase zu unterschiedlichen Zeitpunkten erwärmen und somit die entsprechenden Bypass-Signale d.h. die Stromanstiege versetzt auftreten. Mit Hilfe dieser Signale kann eine genauere Temperaturregelung erreicht werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, innerhalb der Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente 22 unterschiedliche temperaturabhängige Kurzschlusselemente 22 einzusetzen, die sich hinsichtlich des verwendeten Materials unterscheiden. Dadurch reagieren diese auf unterschiedliche Temperaturen. Dies bedeutet, dass zwei elektrische Signale erzeugt werden, die bei unterschiedlichen Temperaturen der elektrischen Heizeinrichtung 10 auftreten, wie dies in 9 dargestellt ist.
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Der Darstellung gemäß 9 ist eine Kurve 46 zu entnehmen, die sich bei Einsatz der Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente einstellt. In 9 ist der Verlauf des elektrischen Widerstandes 42 über die Innentemperatur 44 der elektrischen Heizeinrichtung 10 aufgetragen. Bei der Aufheizphase der elektrischen Heizeinrichtung 10 wird zunächst die erste, untere Bypass-Temperatur 48 erreicht, bei der der elektrische Widerstand 42, des der Schweißkuppe 30 am Gehäuse oder Glührohr 14 nächstliegenden temperaturabhängigen Kurzschlusselement der Zweifachanordnung 52 sinkt. Beim Überschreiten der zweiten, oberen Bypass-Temperatur 50 steigt der elektrische Widerstand 42 wieder an bis die dritte, untere Bypass-Temperatur 54 am oberen der beiden temperaturabhängigen Kurzschlusselemente der Zweifachanordnung 52 erreicht wird. Wird an diesem die vierte, obere Bypass-Temperatur 56 erreicht, steigt der elektrische Widerstand 42 wieder an, wie der Darstellung gemäß der 9 zu entnehmen ist.
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Mit der Anordnung gemäß der 6, 7 und 8 können gemäß 9 zwei Stromanstiegssignale erzeugt werden, für unterschiedliche Innentemperaturen 44 in der elektrischen Heizeinrichtung 10.
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10 zeigt eine Ausführungsvariante eines als Draht 24 ausgebildeten temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22.
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Der Draht 24 kann beispielsweise einen ersten Drahtabschnitt 58 mit PTC-Verhalten sowie einen zweiten Drahtabschnitt 60 mit NTC-Verhalten umfassen. Die beim Drahtabschnitt 58, 60 sind durch eine stoffschlüssige Verbindung 62, beispielsweise eine Schweißverbindung, miteinander verbunden.
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Gemäß der Darstellung in 10 stellt sich im Draht 24, den ersten Drahtabschnitt 58 sowie den zweiten Drahtabschnitt 60 umfassend, der Verlauf des elektrischen Widerstands ein, der qualitativ in 5 gezeigt ist, mit der ersten, unteren Bypass-Temperatur 48 und der zweiten, oberen Bypass-Temperatur 50.
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11 zeigt die Ausführungsvariante des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 als Pulverschicht 26. Entsprechend der Pulvermischung in der Pulverschicht 26 kann das Verhalten des elektrischen Widerstands 42 der Pulvermischung 26 in Schichtform eingestellt werden. Auch hier stellt sich qualitativ ein Verlauf des elektrischen Widerstandes 42 über die Innentemperatur 44 der elektrischen Heizeinrichtung 10 gemäß 5 ein, wie 11 zu entnehmen ist.
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Der Darstellung gemäß 12 ist die dritte Ausführungsvariante des temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 zu entnehmen, wonach der Kontaktring 28 als Einzelring beschaffen sein kann oder auch als Doppelring 68 ausgeführt sein kann. Bei der Ausführung des Kontaktringes 28 als Doppelring 68 umfasst diese einen Innenring 70, dessen Material ein NTC-Verhalten aufweist. Ein Außenring 72 des Doppelringes 68 ist aus einem Material gefertigt, welches ein PTC-Verhalten aufweist. Der Innenring 70 und der Außenring 72 sind ineinander eingelassen, so dass sich die in 12 dargestellte Konfiguration des Doppelringes 68 ergibt. Das Verhalten des elektrischen Widerstands 42 eines einzelnen Kontaktringes 28 wird über die Wahl des Materials bei einem einfachen Bypass oder hinsichtlich einer Zweifachanordnung 52 bei Einsatz eines Innenringes 70 und eines Außenringes 72 durch die entsprechende Ringmaterialwahl definiert. Gemäß der Darstellung in 12 stellt sich analog zu den Ausführungsvarianten gemäß 10 und 11 im Wesentlichen ein Verlauf des elektrischen Widerstandes über die Innentemperatur 44 der elektrischen Heizeinrichtung 10 wie in 5 qualitativ dargestellt, ein.
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13 schließlich zeigt eine elektrische Heizeinrichtung 10, die in die hier als Glühstiftkerze 80 ausgeführt ist. Die Glühstiftkerze 80 umfasst einen Anschlussbolzen 82, einen Vitonring 84, welcher als Abdichtung dient, sowie ein Gehäuse oder Glührohr 14. Der Anschlussbolzen 82 wird mittels eines Rundsteckers 88 kontaktiert, der mit einem Steuergerät 96 für die elektrische Heizeinrichtung 10 verbunden ist. Bezugszeichen 90 bezeichnet eine erste Einbauposition eines temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 oder der Zweifachanordnung 52 von temperaturabhängigen Kurzschlusselementen. In der ersten Einbauposition 90 befinden sich diese im Verbindungsbereich der Regelwendel 16, an der Verbindungsstelle 20 zwischen der Regelwendel 16 und der Heizwendel 18 wie in den 1-3 und 6-8 dargestellt.
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Darüber hinaus können die temperaturabhängigen Kurzschlusselemente 22, beziehungsweise die Zweifachanordnung 52 auch an anderen Stellen positioniert werden, sowohl innerhalb als auch außerhalb der elektrischen Heizeinrichtung 10. Mit zunehmender Entfernung vom Heizleiter nimmt die Temperatur innerhalb der elektrischen Heizeinrichtung 10 ab, so dass der Empfindlichkeitsbereich des jeweils eingesetzten temperaturabhängigen Kurzschlusselementes 22 an der Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente, angepasst werden muss.
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Wird zum Beispiel ein temperaturabhängiges Kurzschlusselement 22 oder eine Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente zwischen dem Anschlussbolzen 82 und dem Gehäuse oder Glührohr 14 in Höhe des Vitonrings 84, d.h. in einer zweiten Einbauposition 92 angeordnet, kann bei Erreichen einer Grenztemperatur beispielsweise einer kritischen Temperatur für den Vitonring 84, ein Impuls an das Steuergerät 96 gesendet werden, so dass gegebenenfalls die Stromzufuhr unterbrochen wird oder diese reduziert wird. Die gleiche Funktion kann auch an einer weiteren Position der elektrischen Heizeinrichtung 10 hier ausgeführt als Glühstiftkerze 80, implementiert werden, beispielsweise an einer dritten Einbauposition 94 im Bereich des Rundsteckers 88 der Glühstiftkerze 80. In der dritten Einbauposition 94 würde das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 bzw. die Zweifachanordnung 52 temperaturabhängige Kurzschlusselemente keine Regelfunktion, sondern eine Schutzfunktion ermöglichen, d.h. eine Temperaturüberwachung oder einen Übertemperaturschutz oder dergleichen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Bypass-Funktion, d.h. das Erzeugen eines temperaturabhängigen Parallelstroms durch ein Bauteil, die Erzeugung eines Stromimpulses oder einer Stromspitze in einer Versorgungsleitung bei Erreichen einer Grenztemperatur auch in anderen Komponenten und Systemen elektrischer Heizeinrichtungen 10 umgesetzt werden. Ist ein System oder eine Komponente mit einem Steuergerät 96 verbunden, so zum Beispiel ein Motorsteuergerät oder einem Injektor, so kann das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 bzw. die Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente an einer wichtigen Stelle positioniert werden, so dass bei Erreichen einer Grenztemperatur, beispielsweise einer zulässigen Umgebungstemperatur eines Injektors, eine Stromspitze erzeugt wird, die über das Steuergerät 96 detektierbar ist. Mit dieser einfachen Temperaturmessung bzw. einer derart vereinfachten Grenzwertmessung wird kein zusätzlicher separater Sensor benötigt; und das temperaturabhängige Kurzschlusselement 22 bzw. die Zweifachanordnung 52 temperaturabhängiger Kurzschlusselemente kann in eine bereits vorhandene Infrastruktur integriert werden.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist deren Integration in vorhandene Sensoren, wie zum Beispiel eine λ-Sonde. Auf diese Weise kann durch eine einfache Erweiterung einer bereits vorhandenen technischen Infrastruktur das Erreichen eines Temperaturgrenzwertes zuverlässig detektiert werden. Eine kontinuierliche Temperaturmessung ist zwar nicht möglich, jedoch kann ein Temperaturgrenzwert durch Erzeugen einer Stromspitze mit sehr geringem Aufwand zuverlässig erkannt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013214558 A1 [0002]
- DE 102013217703 A1 [0003]
