DE3742102A1 - Verfahren zum regeln eines heizelementes und heizelement zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Heizelementes nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Heizelement zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Gattungsbegriff des Patentan­ spruchs 3.

Die Erfindung befaßt sich somit mit der Temperaturerfas­ sung und -regelung von elektrischen Heizelementen oder Heizvorrichtungen, beispielsweise von Glühkerzen für Diesel­ motoren, von Heizelementen für Verdampfer oder von Keramik­ glühelementen oder im Aufbau ähnlichen Heizelementen, die einen Körper aus einem keramischen Isolationsmaterial (DIN 40 685) aufweisen, in den ein isolierter Heizleiter, z.B. in Form einer Heizwendel, eingebettet oder auf den der Heizleiter aufgebracht ist.

Dabei kann der Körper aus einem keramischen Isolations­ material in Form eines gepreßten Granulats in einem Heizstab oder in Form eines Festkörpers als gebrannter Scherben, z.B. bei Keramikglühkerzen, ausgebildet sein.

Es ist weiterhin bekannt, bei einer Glühkerze die Temperatur mittels eines eingebauten Thermoelementes zu erfassen. Diese Ausbildung ist technisch aufwendig und in der Auswertung der Signale mit hohen Kosten verbunden. Darüberhinaus werden Wärmeschwankungen an der Kerzenober­ fläche nur unzureichend erfaßt, da die Temperaturmessung über das Thermoelement nur punktuell erfolgt. Hinsichtlich der Fertigung derartiger Glühkerzen mit Thermoelement ergibt sich der Nachteil, daß die Einbettung des Thermoelementes und die Herausführung der Anschlüsse des Thermoelementes für die Serienfertigung kompliziert und mit hohen Kosten verbunden sind und zwei temperaturkompensierte Steckverbindungen sowie Ausgleichsleitungen erforderlich sind. Die Auswertung von Thermospannungen ist darüberhinaus in einer Umgebung mit Störsignalen schwierig.

Es ist schließlich gleichfalls bekannt, die Temperatur über die Erfassung des elektrischen Stromes an Heizdrähten mit positivem Temperaturkoeffizienten zu ermitteln. Dieses Verfahren ist unzuverlässig und aufwendig, wobei die Erfassung des Stromes als Regelgröße eine aufwendige Auswerteelektronik sowie eine Temperaturkompensation der Leistungsschalter erfordert. Bei der Stromerfassung müssen weiterhin Batteriespannungsschwankungen und Kontroll- sowie Leitungswiderstände berücksichtigt werden und muß außerdem die Glühkerze mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren sowie ein Heizelement gemäß Gattungsbe­ griff des Patentanspruchs 1 bzw. 3 zu schaffen, mit dem bzw. bei dem eine zuverlässige Regelung der Temperatur bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Heizelementes möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 3 angegeben ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Heizelement wird die Widerstandsänderung des Isolationsmaterials, d.h. die rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes oberhalb einer bestimmten Tempera­ tur von z.B. 800°C bei MgO, ausgenutzt und erfolgt die Erfassung der Temperatur über die gesamte aufgeheizte Oberfläche des Heizelementes. Dabei wird die konstruktiv durch eine entsprechende Auslegung und Formung der Heizwendel bestimmte heißeste Stelle des Heizelementes, beispielsweise einer Glühkerze, erfaßt, und wird automatisch eine Über­ hitzung bestimmter Teile des Heizelementes, beispielsweise der Glühkerze, verhindert.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine zuverlässige Temperaturregelung bei einem Heizelement, das einen ein­ fachen, kostengünstigen Aufbau ohne Spezialwerkstoffe hat. Es ist daher auf Heizelemente anwendbar, die in Massenfertigung hergestellt werden.

In Verbindung mit elektronischen oder elektromecha­ nischen Steuergeräten ist dabei eine vollständige Überwachung und Regelung der Temperatur des Heizelementes möglich. Bei einer Glühkerze für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges als Heizelement ist die Erfassung der Kerzentemperatur unter allen Betriebszuständen möglich.

Insbesondere bei Stabglühkerzen wird für den Körper aus einem keramischen Isolationsmaterial MgO als Füllgranulat verwandt, dessen rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes insbesondere im Bereich zwischen 800 und 1200°C auftritt. Die Regelung der Temperatur erfolgt daher vorzugsweise bei derartigen Glühkerzen in diesem Temperaturbereich, d.h. im Betriebsbereich der Glühkerze. Dabei wird eine Temperatur von 1000+/-100°C angestrebt, bei gewissen Betriebszuständen reichen auch 800 bis 900°C. Dabei ändert sich die Sig­ nalspannung im angegebenen Bereich von 5 bis 95% der Betriebsspannung ohne besondere Nachverstärkung. Das Signal steht niederohmig zur Verfügung und ist somit gegenüber Störspannungen unempfindlich.

Da MgO als ein sehr reines und gleichmäßiges Granulat vorliegt, sind sehr geringe Streuungen zu erwarten. Bei anderen keramischen Isolationsmaterialien ist das erfin­ dungsgemäße Verfahren gleichfalls, wenn auch unter Umständen in einem anderen Temperaturbereich, anwendbar, da die spontane Änderung des Widerstandes in Temperaturbereichen auftritt, die für die jeweiligen Isolationsmaterialien spezifisch sind.

Keramikglühkerzen haben beispielsweise einen Glühstift aus einem Keramikmaterial wie Al₂O₃, Si₃N₄, auf den Heizlei­ terbahnen, beispielsweise durch Siebdruck aufgebracht und eingebrannt sind. Auch bei diesen Glühkerzen kann der Isolationswiderstand der Keramik für Meßzwecke herangezogen werden, indem in einer zentrischen Bohrung des Glühstiftes die Sensorelektrode eingebracht wird oder die Sensorelektrode als Leiterzug mit den Heizleiterbahnen aufgebracht wird.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer Schnittansicht ein erstes Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze,

Fig. 2 in einer Schnittansicht ein zweites Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze,

Fig. 3 in einer Schnittansicht einer Glühkerze ein Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens und

Fig. 4 in einem Zeitdiagramm das Ausgangssignal eines in eine Glühkerze eingebauten Thermoelementes sowie das Ausgangssignal der Meßelektrode bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze umfaßt einen Körper 11 aus einem keramischen Isolationsmaterial, in den eine Heizwendel 3 eingebettet ist, die über ein Schaltelement 5 mit einer Spannungsquelle, beispielsweise der Batterie 6 eines Fahrzeuges, verbunden ist. Das äußere metallische Gehäuse der Glühkerze liegt an Masse 7. Elektrisch gegenüber der Heizwendel 3 isoliert, sind zwei Elektroden 1, 2 in den keramischen Körper 11 eingebettet. Die Ausgangssignale dieser beiden Elektroden liegen an einem Widerstandsmeßgerät 4, das nach einem bekannten Widerstandsmeßverfahren arbeitet.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze kommt mit einer einzigen Elektrode 8 aus, die wiederum elektrisch gegenüber der Heizwendel 3 isoliert in den keramischen Körper 11 eingebet­ tet ist. Die Elektrode 8 steht mit einem Widerstandsmeßgerät 4 in Verbindung, dessen zweiter Anschluß an Masse liegt. Die Widerstandsmessung erfolgt wieder nach einem an sich bekannten Verfahren.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Glühkerze handelt es sich um eine zweipolige Ausführung, bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine separate Elektrode eingebaut werden muß. Bei einer derartigen Glühkerze wird über die Heizwendel 3 gemessen, die mit dem Widerstandsmeßge­ rät 4 verbunden ist, sowie über einen Schalter 9 an Masse liegt. Der zweite Pol 10 ist wiederum über einen Schalter 5 mit der Batterie 6 des Fahrzeuges verbunden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Temperatur­ messung die Widerstandsänderung der keramischen Isolationsma­ terialien ausgenutzt, aus denen der Körper der Heizelemente besteht, in den die Heizwendel eingebettet oder auf den der Heizwendel aufgebracht ist. Oberhalb von 800°C tritt bei keramischen Isolationsmaterialien, beispielsweise bei MgO eine rapide Abnahme des spezifischen Widerstandes auf, was zur Ermittlung der Kerzentemperatur ausgenutzt werden kann. Durch die stark ausgeprägte Widerstandsänderung gerade im interessierenden Bereich zwischen 800 und 1200°C und durch die einfache und robuste Ausführung der Heizelemente eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Heizelement insbesondere bei Glühanlagen für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen.

Fig. 4 zeigt in einem Zeitdiagramm die Meßkurve Y 1 für ein Thermoelement, das in eine Glühkerze eingebaut ist, d. h. das Ausgangssignal dieses Thermoelementes, sowie die Meßkurve Y 2 bei einem erfindungsgemäßen Heizelement, d.h. das Ausgangssignal der Meßelektrode, und zwar als Spannungsabfall über einem in Reihe zur Meßelektrode geschalteten Vor­ widerstand. Aus dieser graphischen Darstellung ist die starke Änderung des Ausgangssignals der Meßelektrode bei dem erfindungsgemäßen Heizelement, die zur Regelung gemäß der Erfindung ausgenutzt wird, im interessierenden Bereich zwischen 800 und 1200°C erkennbar.

Im folgenden sei anhand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Arbeitsweise beim erfindungsgemäßen Verfahren im einzelnen beschrieben. Die in Fig. 2 dargestell­ te Glühkerze wird über das geschlossene Schaltelement 5, das aus einem mechanischen oder elektronischen Schalter bestehen kann, aufgeheizt. Nach einer zeitlich bestimmten Aufheizphase wird zur Temperaturmessung der Versorgungsstrom in kurzzeiti­ gen Abständen unterbrochen. Der Widerstand der die Meßelek­ trode 8 umgebenden keramischen Masse kann nun über das angeschlossene Widerstandsmeßgerät 4 bestimmt und zur Regelung der Temperatur der Glühkerze herangezogen werden. Der Isolationswiderstand kann bei abgeschalteter Glühkerzen­ heizung, d.h. in den Taktpausen, gemessen werden. Würde er bei eingeschalteter Heizung gemessen, dann würde der Spannungsabfall auf der Heizwendel mit in den Meßwert eingehen, je nachdem, wo die heißeste Stelle gerade liegt. Bei einem getakteten Heizbetrieb ergibt sich auf der Sensorausgangsleitung damit ein pulsierendes Signal, das zusätzlich auch dazu verwendet werden kann, festzustellen, ob die Sensorausgangsleitung noch mit der Regelschaltung verbunden ist. Dadurch ist eine Eigendiagnose auf Drahtbruch usw. möglich.

Die Meßelektroden selbst sind der jeweiligen Heiz- oder Glühtemperatur ausgesetzt und dementsprechend temperaturbe­ ständig ausgebildet.

Wenn bei einem konkreten Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine sehr schnelle Aufheizung innerhalb eines Zeitintervalls von weniger als 2 Sekunden gefordert ist, ist es von Vorteil, wenn anfangs ein sehr hoher Strom von z.B. 40 A fließt, der sich bei Erwärmung selbst beispielsweise auf 20 A reduziert. Die weitere Regelung erfolgte dann durch den genannten Taktbetrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der Sensorelektrode zur Messung des Isolationswiderstandes.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Temperaturregelung von Heizelementen sehr genau bei niedrigem Aufwand erfolgen kann. Bei Glühkerzen ergibt sich der Vorteil, daß die Dieselmotoren, bei denen derartige Glühker­ zen eingesetzt werden, mit geregelter Glühtemperatur schnell­ startbar sind, daß die Möglichkeit des Nachglühens in den laufenden Motor bei jedem Betriebszustand möglich ist und daß die Kerzentemperatur für jeden Zylinder einzeln regelbar ist. Durch den Schutz vor einer Überhitzung erhöht sich weiterhin die Kerzenlebensdauer.

Aufgrund des unempfindlichen Aufbaus des Heizelementes, der bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist und der genauen Ableitung der Regelgrößen ergibt sich eine hohe Störungssicherheit mit hoher Regelgenauigkeit, auch unter physikalisch erschwerten Bedingungen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Heizelemen­ tes mit einem Körper aus einem keramischen Isolationsmate­ rial, in den ein Heizleiter eingebettet oder auf den ein Heizleiter aufgebracht ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektrische Widerstand des keramischen Körpers gemessen und die Temperatur des Heizele­ mentes nach Maßgabe des gemessenen Widerstandes des kera­ mischen Körpers geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das keramische Isolationsmaterial MgO ist und die Regelung im Temperaturbereich von 800 bis 1200°C erfolgt.

3. Heizelement mit einem Körper aus einem keramischen Isolationsmaterial, in den ein Heizleiter eingebettet ist, oder auf den ein Heizleiter aufgebracht ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in elektrischem Kontakt mit dem keramischen Körper (11) wenigstens eine Elektrode (1, 2; 8) angeordnet ist, die elektrisch gegenüber den anderen Bauteilen des Heizelementes isoliert ist.

4. Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ kennzeichnet, daß zwei Elektroden (1, 2) mit getrennten Ausgängen vorgesehen sind.

5. Heizelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode (1, 2; 8) in den keramischen Körper (11) eingebettet ist.

6. Heizelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode auf den keramischen Körper (11) aufgebracht ist.

7. Heizelement nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper aus MgO besteht.