[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines elektrischen Heizelementes,
insbesondere einer Glühkerze einer Brennkraftmaschine, von einer Anfangstemperatur
auf die Betriebstemperatur.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.
[0010] 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.
[0011] Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird üblicherweise beim Aufheizen eines elektrischen
Heizelementes über eine bestimmte Zeit t
A an das Heizelement eine Spannung U
B2 gelegt, die über der Spannung U
B1 liegt, die im stationären Zustand am Heizelement liegt. Dadurch erhöht sich die Temperatur
gemäß Fig. 1 ausgehend von einer Anfangstemperatur T
01 auf die Betriebstemperatur T
B.
[0012] Wie es in Fig. 1 weiterhin dargstellt ist, kann es in dem Fall, in dem die Anfangstemperatur
höher als T
01 ist, beispielsweise bei T
02 liegt, vorkommen, dass bei gleicher zugeführter elektrischer Energie das Heizelement
auf die Temperatur T
S aufgeheizt wird, die über der Betriebstemperatur T
B 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.
[0013] 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 T
02 ermittelt wird, wird dem Heizelement eine geringere elektrische Energiemenge zugeführt
als es der Fall ist, wenn die Anfangstemperatur T
01 beträgt. Dadurch wird erreicht, dass auch bei einer Anfangstemperatur T
02, die über der Temperatur T
01 liegt, sich im Laufe des Aufheizvorganges die Temperatur nur auf die Betriebstemperatur
T
B erhöht.
[0014] 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 U
B2 betrieben wird und anschließend nach dieser Zeit die Spannung auf die Betriebsspannung
U
B1 reduziert wird. Dabei wird die Zeit, über die das Heizelement mit der höheren Betriebsspannung
U
B2 betrieben wird, in Abhängigkeit von der ermittelten Anfangstemperatur bestimmt. Das
heißt mit anderen Worten, dass die Spannung U
B2 bei einer höheren Anfangstemperatur T
02 nur für eine Zeit zugeführt wird, die unter der Zeit liegt, über die diese Spannung
U
B2 anliegt, wenn die Anfangstemperatur gleich dem Vorgabewert T
01 ist. Die Zeit, über die die höhere Spannung U
B2 anliegt, wird somit so gewählt, dass eine thermische Überlastung des Heizelementes
verhindert wird.
[0015] 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 U
B2 entsprechend gewählt wird.
[0016] Die beiden Spannungen U
B1 und U
B2 können dadurch erzielt werden, dass als höhere Spannung U
B2 beispielsweise bei einer Glühkerze die Bordnetzspannung des Fahrzeuges gewählt wird
und die Betriebsspannung U
B1, die unter dieser Spannung liegt, durch Takten, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation,
der Spannung U
B2 erzeugt wird. Dadurch wird effektiv die wirksame Spannung, das heißt die Effektivspannung
am Heizelement von U
B2 auf U
B1 herabgesetzt.
[0017] 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.
[0018] Um die Anfangstemperatur des Heizelementes 1 zu ermitteln, wird vor Beginn des Aufheizvorganges
dessen elektrischer Widerstand R
T und daraus über den Temperaturkoeffizienten des Materials des Heizelementes die Anfangstemperatur
bestimmt. Zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes R
T werden der Strom I
H und die Spannung U
H des Heizelementes gemessen und wird daraus der Widerstand R
T berechnet.
[0019] 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 U
B liegt am Messwiderstand 3.
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.