EP1298321A2 - Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1298321A2
EP1298321A2 EP02019197A EP02019197A EP1298321A2 EP 1298321 A2 EP1298321 A2 EP 1298321A2 EP 02019197 A EP02019197 A EP 02019197A EP 02019197 A EP02019197 A EP 02019197A EP 1298321 A2 EP1298321 A2 EP 1298321A2
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temperature
heating
voltage
glow plug
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Günther Uhl
Olaf Toedter
Heinz-Georg Schmitz
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BorgWarner Ludwigsburg GmbH
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Beru AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
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    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/025—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs with means for determining glow plug temperature or glow plug resistance

Definitions

  • the invention relates to a method for heating a electric heating element, in particular a glow plug Internal combustion engine, from an initial temperature to the operating temperature.
  • an electrical heating element such as one Glow plug in steel or ceramic design or another Heating element, such as a heater or a Heating flange
  • a heating element for a limited period of time operated with a voltage higher than the operating or Design voltage of the heating element is.
  • Design voltage of a heating element that voltage at which the heating element in the steady state its operating parameters, in particular its desired or necessary surface temperature, has achieved and maintains.
  • the thermal power output equal to the electrical power consumed.
  • the heating process differs from the stationary one Operating state in that the heating element for a limited Time a higher power is supplied. That is required because the heating element is a mass-based arrangement represents and thus forms a heat capacity. This heat capacity must be filled when heating up. To do this is a certain one Amount of energy required during the heating process the heating element must also be supplied. By this additional amount of energy increases during the heating process the temperature of the heating element from its initial temperature to the operating temperature.
  • the object underlying the invention is therefore in specifying a method of the type mentioned at the beginning with overheating of the heating element, that is, heating of the heating element to above the operating temperature lying temperature can be avoided at which the heating element is damaged or even destroyed.
  • this object is achieved by that the initial temperature of the heating element is determined and the heating element is supplied with electrical energy for heating the height of which is determined from the determined initial temperature depends.
  • the initial temperature is thus of the heating element, so that using given the operating temperature to be overcome Temperature difference and thus the electrical energy determined that is required to remove the heating element from the determined initial temperature to the operating temperature bring. This can prevent overheating.
  • a voltage U B2 which is above the voltage U B1 which is in the stationary state on the heating element is usually applied to the heating element when heating an electrical heating element for a certain time t A.
  • the temperature according to FIG. 1 increases from an initial temperature T 01 to the operating temperature T B.
  • the heating element is heated to the temperature T S with the same electrical energy supplied, which is above the operating temperature T B. If this temperature is close to the melting temperature of the material of the heating element or even reaches the melting temperature, the heating element is damaged or destroyed.
  • the starting temperature of the heating element is determined in the method according to the invention and the heating element is supplied with electrical energy for heating, the amount of which depends on the determined starting temperature. If, for example, the initial temperature T 02 is determined, the heating element is supplied with a smaller amount of electrical energy than is the case when the initial temperature T 01 . It is thereby achieved that even at an initial temperature T 02 , which is above the temperature T 01 , the temperature only increases to the operating temperature T B in the course of the heating process.
  • the time over which the heating element is operated with the higher operating voltage U B2 is determined as a function of the determined initial temperature. In other words, the voltage U B2 is supplied at a higher starting temperature T 02 only for a time which is less than the time over which this voltage U B2 is present when the starting temperature is equal to the preset value T 01 . The time over which the higher voltage U B2 is applied is thus selected such that thermal overloading of the heating element is prevented.
  • the two voltages U B1 and U B2 can be achieved by selecting the vehicle electrical system voltage of the vehicle as the higher voltage U B2, for example in the case of a glow plug, and the operating voltage U B1 , which is below this voltage, by clocking, for example by pulse width modulation, of the voltage U B2 is generated. This effectively reduces the effective voltage, that is to say the effective voltage at the heating element, from U B2 to U B1 .
  • Fig. 2 shows the circuit diagram of a circuit arrangement for Implementation of the method according to the invention.
  • 2 is an electrical heating element 1 is shown.
  • electrical Heating elements have a temperature-dependent resistance due to the physical properties, for example the Resistance temperature coefficients of their materials and / or of their inner structure. This applies to metallic heaters, glow plugs with heating and control coils, auxiliary heater with cold heating elements PTC and similar electrical heating elements.
  • the starting temperature of the heating element 1 its electrical resistance R T is determined before the heating process begins, and the starting temperature is determined therefrom via the temperature coefficient of the material of the heating element.
  • the electrical resistance R T the current I H and the voltage U H of the heating element are measured and the resistance R T is calculated therefrom.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 2 further comprises a microprocessor 7 with an analog / digital converter at which voltage taps 4 and 5 are located on both sides of a measuring resistor 3, which is connected to the heating element 1 via a switch 2.
  • the microprocessor 7 applies a control signal 6 to the switch 2, by means of which it is opened and closed.
  • the operating voltage U B is at the measuring resistor 3.

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Abstract

Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, beispielsweise der Glühkerze einer Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur. Um eine Überhitzung des Heizelementes für den Fall zu vermeiden, dass die Anfangstemperatur über der Vorgabetemperatur liegt, von der üblicherweise ausgegangen wird, wird die tatsächliche Anfangstemperatur des Heizelementes zunächst ermittelt und wird dem Heizelement eine elektrische Energiemenge zugeführt, die von der Höhe der ermittelten Anfangstemperatur abhängt. In dieser Weise wird bei höheren Anfangstemperaturen die zugeführte elektrische Energiemenge reduziert, so dass eine Überhitzung des Heizelementes auf eine Temperatur, bei der eine Beschädigung auftreten kann, vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze einer Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur.
Um ein elektrisches Heizelement, wie beispielsweise eine Glühkerze in Stahl- oder Keramikausführung oder ein anderes Heizelement, wie beispielsweise einen Zuheizer oder einen Heizflansch, schnell auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, wird üblicherweise das Heizelement für eine begrenzte Zeitdauer mit einer Spannung betrieben, die über der Betriebsoder Auslegungsspannung des Heizelementes liegt. Dabei ist die Auslegungsspannung eines Heizelementes diejenige Spannung, bei der das Heizelement im stationären Zustand seine Betriebsparameter, insbesondere seine gewünschte oder notwendige Oberflächentemperatur, erreicht hat und beibehält. In der Regel ist in diesem stationären Zustand die abgegebene thermische Leistung gleich der aufgenommenen elektrischen Leistung.
Der Aufheizvorgang unterscheidet sich somit vom stationären Betriebszustand dadurch, dass dem Heizelement für eine begrenzte Zeit eine höhere Leistung zugeführt wird. Das ist erforderlich, da das Heizelement eine massebehaftete Anordnung darstellt und somit eine Wärmekapazität bildet. Diese Wärmekapazität muß beim Aufheizen gefüllt werden. Dazu ist eine bestimmte Energiemenge erforderlich, die während des Aufheizvorganges dem Heizelement zusätzlich zugeführt werden muß. Durch diese zusätzliche Energiemenge erhöht sich während des Aufheizvorganges die Temperatur des Heizelementes von seiner Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur.
Wenn allerdings die durch die Auslegung des Heizelementes bestimmte Betriebstemperatur sehr hoch ist und nur noch eine geringe Temperaturdifferenz zur Schmelztemperatur des Materials des Heizelementes besteht, wenn beispielsweise bei einer Glühkerze die Betriebstemperatur bei 1200°C und die Schmelztemperatur bei 1400°C liegen, besteht die Gefahr, dass während des Aufheizvorganges zuviel Energie zugeführt wird und sich dadurch das Heizelement auf eine Temperatur aufheizt, die über der Betriebstemperatur liegt. Wird dabei die Schmelztemperatur des Heizelementes erreicht, wird das Heizelement zerstört. Zu einer Beschädigung des Heizelementes kommt es in der Regel allerdings bereits, wenn die Temperatur des Heizelementes in den Bereich der Schmelztemperatur kommt, das heißt wenn beispielsweise die erreichte Heizelementtemperatur nur noch 100 K unter der Schmelztemperatur liegt.
Das oben beschriebende Problem, dass während des Aufheizvorganges dem Heizelement zuviel Energie zugeführt wird, kann dadurch auftreten, dass sich das Heizelement am Anfang des Aufheizvorganges nicht auf einer angenommenen Anfangstemperatur sondern auf einer Temperatur befunden hat, die höher ist, allerdings unter der Betriebstemperatur liegt. Da die für das Aufheizen benötigte Energie von der Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der Anfangstemperatur abhängt, wird dann dem Heizelement zuviel Energie zugeführt und wird dieses somit auf eine Temperatur gebracht, die über der Betriebstemperatur liegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine Überhitzung des Heizelementes, das heißt ein Aufheizen des Heizelementes auf eine über der Betriebstemperatur liegende Temperatur vermieden werden kann, bei der das Heizelement beschädigt oder sogar zerstört wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt wird und dem Heizelement zum Aufheizen elektrische Energie zugeführt wird, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt, so dass unter Heranziehung der gegebenen Betriebstemperatur die zu überwindende Temperaturdifferenz und damit die elektrische Energie bestimmt werden kann, die erforderlich ist, um das Heizelement von der ermittelten Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur zu bringen. Eine Überhitzung kann dadurch ausgeschlossen werden.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.
Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
  • Fig. 1 in einem Diagramm die am Heizelement liegende Spannung und die Temperatur des Heizelementes in Abhängigkeit von der Zeit und
  • Fig. 2 das Schaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes.
    • Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird üblicherweise beim Aufheizen eines elektrischen Heizelementes über eine bestimmte Zeit tA an das Heizelement eine Spannung UB2 gelegt, die über der Spannung UB1 liegt, die im stationären Zustand am Heizelement liegt. Dadurch erhöht sich die Temperatur gemäß Fig. 1 ausgehend von einer Anfangstemperatur T01 auf die Betriebstemperatur TB.
    Wie es in Fig. 1 weiterhin dargstellt ist, kann es in dem Fall, in dem die Anfangstemperatur höher als T01 ist, beispielsweise bei T02 liegt, vorkommen, dass bei gleicher zugeführter elektrischer Energie das Heizelement auf die Temperatur TS aufgeheizt wird, die über der Betriebstemperatur TB liegt. Wenn diese Temperatur nahe an der Schmelztemperatur des Materials des Heizelementes liegt oder die Schmelztemperatur sogar erreicht, kommt es zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Heizelementes.
    Um das zu vermeiden wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt und wird das Heizelement zum Aufheizen mit elektrischer Energie versorgt, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt. Wenn daher beispielsweise die Anfangstemperatur T02 ermittelt wird, wird dem Heizelement eine geringere elektrische Energiemenge zugeführt als es der Fall ist, wenn die Anfangstemperatur T01 beträgt. Dadurch wird erreicht, dass auch bei einer Anfangstemperatur T02, die über der Temperatur T01 liegt, sich im Laufe des Aufheizvorganges die Temperatur nur auf die Betriebstemperatur TB erhöht.
    Das heißt im einzelnen, dass zum Aufheizen des Heizelementes von seiner ermittelten Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur das Heizelement für eine bestimmte Zeit auf der höheren Betriebsspannung UB2 betrieben wird und anschließend nach dieser Zeit die Spannung auf die Betriebsspannung UB1 reduziert wird. Dabei wird die Zeit, über die das Heizelement mit der höheren Betriebsspannung UB2 betrieben wird, in Abhängigkeit von der ermittelten Anfangstemperatur bestimmt. Das heißt mit anderen Worten, dass die Spannung UB2 bei einer höheren Anfangstemperatur T02 nur für eine Zeit zugeführt wird, die unter der Zeit liegt, über die diese Spannung UB2 anliegt, wenn die Anfangstemperatur gleich dem Vorgabewert T01 ist. Die Zeit, über die die höhere Spannung UB2 anliegt, wird somit so gewählt, dass eine thermische Überlastung des Heizelementes verhindert wird.
    Grundsätzlich ist es auch möglich, die dem Heizelement zum Aufheizen zugeführte elektrische Energiemenge dadurch in Abhängigkeit von der Anfangstemperatur zu bestimmen, dass die Höhe der Spannung UB2 entsprechend gewählt wird.
    Die beiden Spannungen UB1 und UB2 können dadurch erzielt werden, dass als höhere Spannung UB2 beispielsweise bei einer Glühkerze die Bordnetzspannung des Fahrzeuges gewählt wird und die Betriebsspannung UB1, die unter dieser Spannung liegt, durch Takten, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, der Spannung UB2 erzeugt wird. Dadurch wird effektiv die wirksame Spannung, das heißt die Effektivspannung am Heizelement von UB2 auf UB1 herabgesetzt.
    Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 2 ist ein elektrisches Heizelement 1 dargestellt. Fast alle elektrischen Heizelemente haben einen temperaturabhängigen Widerstand aufgrund der physikalischen Eigenschaften, beispielsweise des Widerstandstemperaturkoeffizienten ihrer Materialien und/oder ihres inneren Aufbaus. Das gilt für metallische Heizer, Glühkerzen mit Heiz- und Regelwendeln, Zuheizer mit Kaltheizelementen PTC und ähnlichen elektrischen Heizelementen.
    Um die Anfangstemperatur des Heizelementes 1 zu ermitteln, wird vor Beginn des Aufheizvorganges dessen elektrischer Widerstand RT und daraus über den Temperaturkoeffizienten des Materials des Heizelementes die Anfangstemperatur bestimmt. Zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes RT werden der Strom IH und die Spannung UH des Heizelementes gemessen und wird daraus der Widerstand RT berechnet.
    Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung umfasst weiterhin einen Mikroprozessor 7 mit Analog/Digitalwandler an dem Spannungsabgriffe 4 und 5 auf beiden Seiten eines Messwiderstandes 3 liegen, der über einen Schalter 2 mit dem Heizelement 1 verbunden ist. Der Mikroprozessor 7 legt ein Steuersignal 6 an den Schalter 2, durch das dieser geöffnet und geschlossen wird. Die Betriebsspannung UB liegt am Messwiderstand 3.

    Claims (4)

    1. Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur auf die Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangstemperatur des Heizelementes ermittelt wird und dem Heizelement zum Aufheizen elektrische Energie zugeführt wird, deren Höhe von der ermittelten Anfangstemperatur abhängt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante Leistung an das Heizelement über eine Zeitdauer gelegt wird, die von der Anfangstemperatur abhängt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine konstante Zeitdauer eine Leistung an das Heizelement gelegt wird, die von der Anfangstemperatur abhängt.
    4. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das Heizelement eine Spannung gelegt wird, die über der Betriebsspannung liegt, die nach Erreichen der Betriebstemperatur angelegt wird.
    EP02019197A 2001-09-27 2002-09-02 Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes, insbesondere einer Glühkerze für eine Brennkraftmaschine Withdrawn EP1298321A3 (de)

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