Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze und Glühkerzensteuergerät

Abstract

 Beschrieben wird ein Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze durch Anlegen einer veränderlichen elektrischen Spannung an die Glühkerze. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Spannung ausgehend von einem Sockelwert im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt. Die Erfindung betrifft ferner ein Glühkerzensteuergerät zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze und ein Glühkerzensteuergerät zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

[0002] Zum Starten eines Motors müssen Glühkerzen möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur von typischerweise 1000°C bis 1300°C aufgeheizt werden. Kommt es beim Aufheizen zu einem Überschwingen über die Betriebstemperatur hinaus, so wird die Glühkerze dadurch belastet und im Extremfall sogar beschädigt. Um Überschwinger zu vermeiden ist es deshalb bekannt, die an die Glühkerze angelegte elektrische Spannung während der Aufheizphase schrittweise zu reduzieren (MTZ 61, 2000, 10).

[0003] Trotz eines viel versprechenden Potentials haben keramische Glühkerzen bisher nicht die erhofften hohen Lebensdauern erreicht.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie keramische Glühkerzen möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden können und dabei möglichst wenig belastet werden, so dass deren Lebensdauer durch das Aufheizen möglichst wenig beeinträchtigt wird.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegeben Merkmalen gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Glühkerzensteuergerät gemäß Anspruch 14 gelöst, das derart eingerichtet ist, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze ein derartiges Verfahren durchführt.

[0006] Bei bekannten Aufheizverfahren wird zum Vermeiden eines Überschießens der Temperatur der Glühkerze die angelegte Spannung im Laufe des Aufheizvorgangs schrittweise abgesenkt, so dass die elektrische Spannung während des Aufheizvorganges im zeitlichen Mittel abnimmt. Überraschender Weise lässt sich die Lebensdauer keramischer Glühkerzen, insbesondere außen heizender Glühkerzen, erhöhen, indem genau das Gegenteil getan wird. Erfindungsgemäß steigt nämlich die elektrische Spannung zu Beginn des Aufheizvorganges im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit an.

[0007] Die elektrische Spannung kann zu Beginn des Aufheizganges beispielsweise stetig erhöht werden. Vorzugsweise wird die Spannung stufenweise erhöht, wobei in einem solchen Fall die Höhe der Stufen mit zunehmender Zeit zunimmt und/oder die Breite der Stufen mit zunehmender Zeit abnimmt. Auf diese Weise ergibt sich während der Aufheizphase zum Starten eines Motors ein Verlauf der elektrischen Spannung, der im zeitlichen Mittel überproportional ansteigt.

[0008] Während im Stand der Technik zu Beginn des Aufheizvorganges zum Starten eines Motors typischerweise die volle Bordnetzspannung an die Glühkerze angelegt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt zunächst eine wesentlich geringere Startspannung von beispielsweise 6 Volt als Sockelwert angelegt. Ausgehend von dem Sockelwert wird die elektrische Spannung dann bis zu einem Maximalwert erhöht, bei dem es sich um den Wert der Bordnetzspannung handeln kann. Der Sockelwert ist bevorzugt von Null verschieden und beträgt bevorzugt mindestens 4 Volt, insbesondere mindestens 5 Volt. Bevorzugt wird der Sockelwert zu Beginn des Verfahrens in einem einzigen Sprung von Null aus angesteuert und erreicht, beispielsweise durch einen Einschaltvorgang.

[0009] Der überraschend positive Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Lebensdauer keramischer Glühkerzen wird aus heutiger Sicht darauf zurückgeführt, dass sich in dem keramischen Leiter einer keramischen Glühkerze lokale Strompfade ausbilden, die bei Anlegen einer zu hohen Spannung vielleicht zu einer lokalen Überhitzung und damit zu einer Schädigung der Glühkerze führen. Im Laufe des Aufheizvorgangs nimmt der elektrische Widerstand temperaturbedingt zu, so dass die elektrische Spannung ohne Schädigung des Materials ebenfalls erhöht werden kann, um ein möglichst schnelles Aufheizen auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen. Für die Lebensdauer der Glühkerze scheint dabei insbesondere der Beginn des Aufheizvorgangs kritisch zu sein. Um ein möglichst schnelles Aufheizen zu erreichen, soll erfindungsgemäß die Spannung während der Aufheizphase bis zu einem Maximum progressiv ansteigen und nach Erreichen des Maximums, ggf. verzögert, auf einen niedrigeren Wert abgesenkt werden, der ausreicht, um die gewünschte Betriebstemperatur zu halten.

[0010] Wie bereits erwähnt, kann die Spannung zu Beginn des Aufheizvorgangs stufenweise erhöht werden. Bevorzugt bleibt die elektrische Spannung dabei höchstens in einem Zeitintervall von 0,4 Sekunden, insbesondere höchstens von 0,2 Sekunden, besonders bevorzugt in einem Zeitintervall von höchstens 0,1 Sekunde, konstant, bevor sie in einem folgenden Zeitintervall erhöht wird.

[0011] Bevorzugt wird die elektrische Spannung in einem Verfahren der Pulsweitenmodulation für kurze Zeitscheiben angelegt, so dass sich ein Verlauf einer effektiven Spannung ergibt, der eine Stufenfunktion, ein Polygonzug oder beispielsweise parabelförmig sein kann und im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt. Im zeitlichen Mittel über bevorzugt jeweils höchstens 0,3 Sekunden, vorzugsweise über 0,2 Sekunden, insbesondere über 0,1 Sekunde, sollte die elektrische Spannung aber überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigen.

[0012] Bei einem Verfahren der Pulsweitenmodulation lässt sich ein kontinuierlicher Anstieg der effektiven elektrischen Spannung erreichen, indem die Dauer Δt₁ der Spannungspulse erhöht und/oder die Dauer der zwischen den Spannungspulsen liegenden Pausen Δt₂ reduziert wird, wobei die effektive elektrische Spannung Ueff zu einer Zeit t als die im zeitlichen Mittel während eines Zeitintervalls anliegende Spannung, das mindestens die Länge Δt₁ + Δt₂ hat und in dessen Mitte die Zeit t liegt, berechnet wird. Die effektive elektrische Spannung wird also bestimmt, indem ein zeitlicher Mittelwert über ein gleitendes Zeitintervall berechnet wird.

[0013] Besonders gute Ergebnisse lassen sich dadurch erzielen, dass die effektive elektrische Spannung ausgehend von einer Startspannung möglichst kontinuierlich erhöht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Verlauf der elektrischen Spannung ein Polygonzug ist. Je größer die Anzahl der Stützstellen ist, desto gleichmäßiger ist der Anstieg der Spannung. Bevorzugt hat der Polygonzug mindestens 5 Stützstellen, insbesondere mindestens 8 Stützstellen, besonders bevorzugt mindestens 12 Stützstellen. Vorteilhaft ist es insbesondere auch, wenn der Verlauf der elektrischen Spannung eine stetig differenzierbare Funktion aproximiert und der Verlauf der elektrischen Spannung dabei eine streng monoton steigende Steigung zeigt. Bevorzugt ist dabei insbesondere ein parabelförmiger Anstieg der elektrischen Spannung.

[0014] Ein erfindungsgemäßes Glühkerzensteuergerät ist derart eingerichtet, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze das erfindungsgemäße Verfahren durchführt. Bevorzugt sind in einem Speicher des Glühkerzensteuergeräts mindestens 5 Stützstellen einer Sollkurve des elektrischen Spannungsverlaufs während des Aufheizvorgangs gespeichert. Besonders bevorzugt sind mindestens 8 Stützstellen der Sollkurve gespeichert, welcher der elektrische Spannungsverlauf während des Aufheizvorgangs folgen soll.

[0015] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1

ein Beispiel des sich durch Pulsweitenmodulation ergebenden Verlaufs der Effektivspannung Ueff einer keramischen Glühkerze beim Aufheizen;

Figur 2

den in Fig. 1 gezeigten Verlauf der Effektivspannung zusammen mit den bei der Pulsweitenmodulation angelegten Spannungspulsen; und

Figur 3

den Verlauf der Effektivspannung Ueff beim Aufheizen einer Glühkerze auf ihre Betriebstemperatur sowie zusätzlich den Verlauf der Effektivspannung Ueff nach Erreichen der Betriebstemperatur.

[0016] In Figur 1 ist die an eine keramische Glühkerze zum Aufheizen auf die Betriebstemperatur angelegte Effektivspannung Ueff in Volt über der Zeit t in Sekunden aufgetragen. Zu Beginn des Aufheizvorgangs zum Starten eines Motors wird eine Startspannung angelegt, die geringer als eine Bordnetzspannung ist, welche heute zumeist 12 Volt beträgt. Die Startspannung wird als Sockelwert, der größer als Null ist, gewählt und vorzugsweise in einem Sprung erreicht.

[0017] Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze auf ihre Betriebstemperatur zum Starten eines Motors realisiert. Bei dem Verfahren wird eine veränderliche elektrische Spannung an die Glühkerze angelegt, wobei die elektrische Spannung ausgehend von einem Sockelwert im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt, bis ein Maximalwert erreicht ist.

[0018] Figur 1 zeigt dabei, dass die Effektivspannung Ueff von einem Sockelwert von 6 Volt parabelförmig auf einen Maximalwert von etwa 11 Volt ansteigt. Der Spannungsverlauf folgt dabei einer Sollkurve Ueff (t) = 4,6 (Volt/sec) x t² + 2,6 (Volt/sec) x t + 6 Volt, worin Ueff die an der Glühkerze liegende effektive Spannung in Volt und t die Zeit in Sekunden ist.

[0019] Die angegebene Effektivspannung Ueff wird durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation von dem Glühkerzensteuergerät an die Glühkerze angelegt.

[0020] Bei einem Verfahren der Pulsweitenmodulation wird die Bordnetzspannung, die in der Regel etwa 11 Volt bis 12 Volt beträgt, in Spannungspulsen für kurze Zeitintervalle an die Glühkerze angelegt. Die Dauer dieser Spannungspulse und die Dauer der dazwischen liegenden Zeitintervalle, in denen die Glühkerzen von der Bordnetzspannung abgekoppelt sind, legen die Effektivspannung fest. Die Effektivspannung lässt sich beispielsweise als die im zeitlichen Mittel anliegende Spannung berechnen, wobei das zeitliche Mittel über die Summe der Zeitdauer Δt₁ eines Spannungspulses und einer daran anschließenden Zeitspanne Δt₂, in der die Glühkerze von der Bordnetzspannung getrennt ist, berechnet wird. Bei einer näherungsweise konstanten Bordnetzspannung U_B ist in einem Zeitintervall Δt₁ + Δt₂ die effektive Spannung

[0021] In Figur 2 sind zusätzlich zu dem in Figur 1 gezeigten Verlauf der Effektivspannung die bei der Pulsweitenmodulation angelegten Spannungspulse dargestellt. Wie man in Figur 2 sieht, nimmt die Dauer der Spannungspulse mit zunehmender Zeit überproportional zu und die Dauer der zwischen den Spannungspulsen liegenden Pausen entsprechend ab.

[0022] Die Zeitdauer eines Spannungspulses und einer darauf folgenden Zeitspanne, in der die Glühkerze von der Bordnetzspannung abgekoppelt ist, betragen bei dem dargestellten Beispiel zusammen 0,1 Sekunde. Der Zeitpunkt des Beginns eines Spannungspulses ist in Figur 2 durch eine gestrichelte Linie am oberen Bildrand hervorgehoben. Zusätzlich ist durch waagerechte Striche der Wert der im zeitlichen Mittel nach 0,5 s; 1,5 s; 2,5 s; 3,5 s; 4,5 s und 5,5 s anliegenden Spannung, also der Wert der Effektivspannung zu diesem Zeitpunkt, dargestellt.

[0023] Mit dem vorstehend beschriebenen Spannungsverlauf lässt sich ein schnelles und schonendes Aufheizen einer keramischen Glühkerze zum Starten eines Motors erreichen. Kurze Zeit nachdem an der Glühkerze die Maximalspannung, also die Bordnetzspannung von etwa 11 V, anliegt, wird die Betriebstemperatur erreicht. Anschließend kann die Spannung auf einen niedrigeren Wert abgesenkt werden, der zum Halten der Betriebstemperatur ausreicht. Dieses Absenken kann in Stufen oder kontinuierlich erfolgen.

[0024] In Figur 3 ist der im Anschluss an ein erfindungsgemäßes Verfahren erfolgende weitere Spannungsverlauf beispielhaft dargestellt. Die linke Hälfte von Figur 3 zeigt den auch in Figur 1 gezeigten Verlauf der Effektivspannung. Die rechte Hälfte von Figur 3 zeigt, wie die Spannung nach Erreichen eines Maximalwertes stufenweise auf einen Wert abgesenkt wird, der zum Halten der Betriebstemperatur ausreicht. Die Zeitskala in der Rechten Hälfte von Figur 3 ist dabei größer als in der linken Hälfte gewählt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Aufheizen einer keramischen Glühkerze durch Anlegen einer veränderlichen elektrischen Spannung an die Glühkerze, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung ausgehend von einem Sockelwert im zeitlichen Mittel überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung eine durch ein Verfahren der Pulsweitenmodulation gebildete Effektivspannung ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung während des Aufheizvorgangs höchstens für ein Zeitintervall von 0,4 Sekunden, vorzugsweise höchstens für 0,2 Sekunden, insbesondere höchstens für 0,1 Sekunden, konstant bleibt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung ausgehend von dem Sockelwert stufenlos ansteigt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung ausgehend von dem Sockelwert in Stufen erhöht wird, wobei die Höhe der Stufen mit zunehmender Zeit zunimmt und/oder die Breite der Stufen mit zunehmender Zeit abnimmt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung bis zu einem Maximum ansteigt und nach Erreichen des Maximums, ggf. verzögert, auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung im zeitlichen Mittel über jeweils 0,3 Sekunden, vorzugsweise über 0,2 Sekunden, insbesondere über 0,1 Sekunden überproportional zur verstrichenen Aufheizzeit ansteigt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelwert mindestens 4 Volt, vorzugsweise mindestens 5 Volt, besonders bevorzugt 6 Volt beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelwert zu Beginn des Verfahrens in einem einzigen Sprung von Null auf den Sockelwert angesteuert wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung parabelförmig ansteigt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der elektrischen Spannung eine streng monoton steigende Steigung zeigt.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der elektrischen Spannung ein Polygonzug ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Polygonzug mindestens fünf Stützstellen, vorzugsweise mindestens 8 Stützstellen, insbesondere mindestens 12 Stützstellen aufweist.

14. Glühkerzensteuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass es derart eingerichtet ist, dass es im Betrieb zum Aufheizen einer Glühkerze ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchführt.

15. Glühkerzensteuergerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher des Glühkerzensteuergeräts mindestens fünf Stützstellen einer Sollkurve des elektrischen Spannungsverlaufs während des Aufheizvorgangs gespeichert sind, vorzugsweise mindestens acht Stützstellen, insbesondere mindestens 12 Stützstellen.

Zeichnung