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Verfahren und Schaltungsanordnung zum Aufheizen einer Glühkerze - Dokument DE10028073C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10028073C2 10.04.2003
Titel Verfahren und Schaltungsanordnung zum Aufheizen einer Glühkerze
Anmelder Beru AG, 71636 Ludwigsburg, DE
Erfinder Uhl, Günther, 74921 Helmstadt-Bargen, DE
Vertreter Wilhelms, Kilian & Partner, 81541 München
DE-Anmeldedatum 07.06.2000
DE-Aktenzeichen 10028073
Offenlegungstag 20.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2003
IPC-Hauptklasse F02P 19/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Aufheizen einer Glühkerze eines gegebenen Glühkerzentyps in einer gegebenen Anordnung einer Brennkraftmaschine auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur in der Vorheizphase.

Glühkerzen werden beispielsweise bei Dieselmotoren zur Zündung des Kraftstoffes beim Starten oder auch zur Ionenstromerfassung in der Brennkammer eines Dieselmotors verwandt.

Damit die Glühkerzen ihre Funktion erfüllen können, müssen sie auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur in der Aufheizphase aufgeheizt werden.

Es sind Glühkerzen bekannt, die eine selbstregelnde Aufheizcharakteristik haben. Diese werden zeitgesteuert an eine Versorgungsspannung geschaltet und heizen sich aufgrund ihres selbstregelnden Verhaltens auf die vorbestimmte Betriebstemperatur auf.

Es ist auch bekannt, das Aufheizen einer Glühkerze elektronisch zu regeln. In diesem Fall wird die der Glühkerze zugeführte elektrische Leistung über eine elektronische Steuerschaltung so geregelt, dass die vorgegebene bestimmte Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht und nicht überschritten wird.

Aus der US-4 658 772 A ist weiterhin ein Verfahren zum Aufheizen einer Glühkerze bekannt, bei dem aus dem kalten Zustand der Brennkraftmaschine die Glühkerze auf die Zündtemperatur aufgeheizt wird und dann nicht wie üblich der Heizstrom abgestellt sondern in Abhängigkeit von verschiedenen Maschinenbetriebsparametern insbesondere der Kraftstoffzufuhr, das heißt motorabhängig gesteuert beibehalten wird, um die Temperatur der Glühkerze in dieser sogenannten Nachheizphase auf einem bestimmten Wert oder zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten.

Bei einem aus der US-5 469 819 A bekannten Verfahren zum Steuern des Aufheizens einer Glühkerze in der Vorheizphase wird die benötigte Vorheizzeit in Abhängigkeit von der Motorkühlwassertemperatur ermittelt und wird die Vorheizung über ein Relais geschaltet, wobei eine maximale Vorheizzeit gegeben ist, die auch bei niedrigen Kühlwassertemperaturen nicht überschritten wird. Hierbei handelt es sich um ein Beispiel eines Verfahrens, bei dem die Glühkerze zeitgesteuert an die Versorgungsschaltung geschaltet wird.

Die GB-2 280 759 A schlägt weiterhin vor, eine Glühkerze zu ihrem Aufheizen zunächst kurzzeitig an die volle Bordspannung zu legen und dann zeitgesteuert die Leistungszufuhr zur Glühkerze durch An- und Ausschalten der Bordspannunng zu reduzieren, was in Abhängigkeit von der Messung des elektrischen Energieverbrauchs durch das Heizelement, der Abschätzung des Kühleffektes am Heizelement und der Voraussage der Temperatur aus dem Unterschied zwischen Energieverbrauch und Energieverlust erfolgt. Immer dann, wenn die vorausgesagte Temperatur einen ersten Schwellenwert überschreitet, wird die Versorgungsleistung abgeschaltet, während umgekehrt, wenn diese Temperatur unter einen zweiten Schwellenwert fällt, die Versorgungsleistung wieder angeschaltet wird. Bei diesem Verfahren erfolgt somit eine Regelung, die dafür sorgt, dass die vorausgesagte Temperatur innerhalb eines bestimmten Bereiches zwischen diesen beiden Schwellenwerten bleibt.

Die bekannten Verfahren der Selbstregelung oder der elektronischen Regelung versagen jedoch, wenn eine Glühkerze sehr schnell auf eine hohe Temperatur, beispielsweise in zwei Sekunden auf 1000°C aufgeheizt werden soll. Das liegt bei der elektronischen Regelung beispielsweise daran, dass aufgrund der hohen Dynamik des Aufheizvorgangs unter Berücksichtigung der fertigungsbedingten Exemplarstreuungen große Schwierigkeiten auftreten, da unter allen Umständen vermieden werden muß, dass es zu einer wenn auch nur kurzzeitigen Überhitzung der Glühkerzenheizung kommt.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen ein Aufheizen innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls auf eine relativ hohe Temperatur erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die zum Aufheizen auf die vorbestimmt Betriebstemperatur benötigte Heizenergie aus den Parametern des jeweiligen Kerzentyps in der gegebenen Anordnung und der Ausgangstemperatur der Glühkerze ermittelt und der Glühkerze zugeführt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist der Gegenstand des Anspruchs 4.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Stahlglühkerze zur Zündung des Kraftstoffgemisches in einem Dieselmotor;

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine bekannte Stahlglühkerze, die als Meßelektrode zur Ionenstromerfassung in einem Dieselmotor verwandt wird, und

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Aufheizen einer Glühkerze.

Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Stahlglühkerze 1 ist eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung 4 in ein Glührohr 3 eingebettet. Das Glührohr 3 sitzt in einem Glühkerzenkörper 5, über den die Glühkerze 1 in den Motorblock geschraubt ist. Die Stromzufuhr zur elektrischen Heizeinrichtung 4 erfolgt über einen elektrischen Anschluß 7, der mit der elektrischen Heizeinrichtung 4 verbunden ist. Der zweite elektrische Anschluß der Heizeinrichtung 4 ist mit dem Glührohr 3 verbunden, so daß über das Glührohr 3 und den Glühkerzenkörper 5 der Stromkreis zur Masse 8 geschlossen ist.

Die Glühkerze 1 kann auch als Keramikglühkerze ausgebildet sein, bei der das Glührohr 3 und die Heizeinrichtung 4 in Form einer Baueinheit als keramisches Heizelement ausgebildet sind.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Glühkerze 2 handelt es sich um eine elektrisch isoliert aufgebaute Stahlglühkerze zur Ionenstromerfassung im Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Glührohr 3 ist gegenüber dem Kerzenkörper 5 elektrisch isoliert angeordnet und dient bei der Ionenstromerfassung als Meßelektrode. In der Glühkerze 2 sind ein Halbleiterschalter 9 und eine Spannungsauswerteschaltung 10 angeordnet, die in Abhängigkeit von der an der Glühkerze 2 liegenden Spannung den Halbleiterschalter 9 zum Aufheizen in den leitenden Zustand bzw. zur Ionenstromerfassung in den gesperrten Zustand bringt.

Bei einer Glühkerze mit einer selbstregelnden Aufheizcharakteristik erfolgt in bekannter Weise das Aufheizen dadurch, daß die Glühkerze in der Regel zeitgesteuert an die Versorgungsspannung gelegt wird. Aufgrund des selbstregelnden Verhaltens heizt sich die Spitze der Glühkerze auf eine durch die mechanische und elektrische Dimensionierung vorgegebene Temperatur auf. Die selbstregelnde Aufheizcharakteristik läßt sich zum Beispiel dadurch erreichen, daß die Heizeinrichtung aus einer Heizwendel und einer Regelwendel aufgebaut ist. Diese Wendeln sind in Reihe geschaltet. Die Heizwendel besteht aus einem Material mit vernachlässigbar kleinem Temperaturkoeffizienten, während die Regelwendel aus einem Material mit einem deutlichen Temperaturkoeffizienten besteht. Durch den Stromfluß durch die Heiz- und die Regelwendel kommt es zu einer Erwärmung der beiden Wendeln. Die Regelwendel erhöht dabei ihren Widerstand, so daß die Stromstärke des durch die Heiz- und Regelwendel fließenden Stromes abnimmt. Dabei stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, in dem die Glühkerze auf einer konstanten vorgegebenen Temperatur verbleibt.

Das Aufheizen einer Glühkerze kann auch elektronisch geregelt erfolgen, wobei in diesem Fall die der Glühkerze zugeführte elektrische Leistung über eine elektronische Steuerschaltung so geregelt wird, daß eine vorgegebene Temperatur möglichst schnell erreicht und nicht überschritten wird. Wenn die Heizeinrichtung aus einem Material mit einem bekannten Widerstandstemperaturverhalten aufgebaut ist, läßt sich aus einer Strom- und Spannungsmessung der Widerstand und damit die Temperatur der Heizeinrichtung ermitteln.

Die bekannten selbstregelnden Verfahren oder elektronischen Regelungen sind jedoch nicht anwendbar, wenn eine Glühkerze sehr schnell auf eine hohe Temperatur, beispielsweise innerhalb von zwei Sekunden auf 1000°C, aufgeheizt werden soll.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher nicht von einer Leistungsregelung Gebrauch gemacht, sondern erfolgt die Aufheizung der Glühkerze energiegesteuert, indem die zum Aufheizen auf die vorbestimmte Temperatur benötigte Heizenergie aus den Parametern des jeweiligen Glühkerzentyps in seiner gegebenen Anordnung und der Ausgangstemperatur der Glühkerze ermittelt und innerhalb eines gewählten Aufheizzeitintervalls der Glühkerze zugeführt wird.

Dabei wird davon ausgegangen, daß bei bekannten Anfangsbedingungen immer die gleiche Heizenergie benötigt wird, um eine Glühkerze desselben Glühkerzentyps auf die gewünschte Endtemperatur, das heißt die vorbestimmte Temperatur aufzuheizen. Diese Anfangsbedingungen sind die Ausgangstemperatur, die Abkühlbedingungen und die Wärmekapazität des aufzuheizenden Bereiches der Glühkerze, bei dem es sich um einen abgegrenzten Bereich der Glühkerze, das heißt des Glührohres und vor allem der Glühkerzenspitze handelt. Dieser Bereich hat eine definierte Wärmekapazität. Die Abkühlbedingungen sind durch die Anordnung bzw. den Einbau der Glühkerze im Motor bestimmt und können durch Berechnung oder durch Messung ermittelt werden. Die Wärmekapazität der Glühkerze, das heißt ihres aufzuheizenden Bereiches an der Glühkerzenspitze ist durch die Geometrie und durch die Materialeigenschaften bestimmt und kann ebenfalls durch Berechnung oder durch Messung ermittelt werden. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß im Hinblick auf die Fertigung von Glühkerzen in großen Stückzahlen die Abkühlbedingungen und die Wärmekapazität von Glühkerzen desselben Glühkerzentyps nur geringen Streuungen unterliegen.

Daraus ergibt sich, daß der Energiebedarf zum Aufheizen einer Glühkerze von einer Ausgangstemperatur auf die gewollte oder vorbestimmte Endtemperatur durch Messung und/oder durch Berechnung ermittelt werden kann und daß bei Glühkerzen des gleichen Glühkerzentyps in der gleichen Anordnung das Aufheizen derart gesteuert werden kann, daß in der Aufheizphase immer die gleiche vorbestimmte, für das Aufheizen der Glühkerze auf die vorbestimmte Temperatur benötigte und durch Messung oder Berechnung ermittelte Heizenergie zugeführt wird. Anderen Ausgangs- oder Endtemperaturen lassen sich andere, benötigte Heizenergien zuordnen. Wenn die Heizenergiezufuhr elektronisch gesteuert wird, kann die Zufuhr der Heizenergie pro Zeit, das heißt die Aufnahme der elektrischen Leistung, beliebig gesteuert werden. Beispielsweise kann die Leistungsaufnahme konstant gehalten werden oder kann zunächst mehr und dann weniger, oder umgekehrt, Leistung zugeführt werden.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Anordnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zum Aufheizen einer Glühkerze eines gegebenen Glühkerzentyps in einer gegebenen Anordnung auf eine vorbestimmte Temperatur.

Eine Glühkerze 1, 2 des in Fig. 1 oder 2 dargestellten Typs wird über einen Schalter 511 und einen Strommeßwiderstand RM12 an die Versorgungsspannung UB geschaltet. Über den Widerstand RM12 kann somit eine dem Glühkerzenstrom IGK proportionale Spannung UM an den Abgriffen 13, 14 abgegriffen werden. Über den Abgriff 14 kann außerdem die an der Glühkerze liegende Spannung UGK gemessen werden. Die abgegriffenen Spannungen liegen an einer Steuer- und Auswerteeinheit 16, die beispielsweise in Form eines Mikroprozessors mit integriertem Analog/Digitalwandler ausgebildet sein kann. Diese Steuer- und Auswerteeinheit 16 steuert über ihr Ausgangssignal 15 den Schalter 11. Die Kombination des Schalters 11 und des Strommeßwiderstandes 12 ist vorzugsweise als vollintegrierter Leistungshalbleiter mit einem Laststromsignalausgang realisiert.

Die oben beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet in der folgenden Weise:

Zum Aufheizen der Glühkerze wird über die Steuer- und Auswerteeinheit 16 ein Signal zum Schließen des Schalters 11 angelegt. Dadurch liegt die Versorgungsspannung Ub an der Glühkerze. Das Gesamtaufheizzeitintervall ist beispielsweise in einzelne kurze Teilzeitintervalle T0 unterteilt und es werden über die Abgriffe 13, 14 die Spannung UA an der Glühkerze und deren Stromaufnahme IGK ermittelt. Das Teilzeitintervall T0 kann klein sein und beispielsweise weniger als 1 ms betragen. Es wird davon ausgegangen, daß innerhalb eines derartigen kurzen Zeitintervalls T0 der Strom IGK, der von der Glühkerze aufgenommen wird, konstant bleibt. Dann läßt sich die im Teilzeitintervall T0 zugeführte Energie ET0 ermitteln als:



ET0 = UGK × IGK × T0

Die insgesamt zugeführte Heizenergie wird dann durch Aufaddieren dieser einzelnen Heizenergien in den kurzen Teilzeitintervallen T0 erhalten.

Die Heizenergiezufuhr läßt sich dann dadurch steuern, daß beispielsweise das Gesamtaufheizzeitintervall in zehn Teilzeitintervalle T0 unterteilt wird und der Schalter 11 nicht in allen zehn Zeitintervallen T0, sondern beispielsweise nur in drei von zehn Zeitintervallen geschlossen wird, so daß der Glühkerze bei konstanter Energiezufuhr pro Zeitintervall nur 30% der maximal möglichen Heizenergie zugeführt wird. Das heißt mit anderen Worten, daß zum Aufheizen der Glühkerze die in jedem Teilzeitintervall jeweils zugeführte Teilheizenergiemenge bestimmt und aufaddiert wird und der Schalter 11 so lange geschlossen bleibt bis die erforderliche vorbestimmte Gesamtheizenergie erreicht ist, die zum Aufheizen der Glühkerze auf die vorbestimmte Temperatur benötigt wird.

Es versteht sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch beispielsweise eine entsprechende Wahl der Aufheizzeit und/oder der Art der Zuführung der Aufheizenergie dafür gesorgt ist, daß eine Beschädigung der Glühkerze durch die bei der Zuführung der Heizenergie auftretende Heizleistung ausgeschlossen ist.

Zu diesem Zweck ist dafür gesorgt, daß ein vorgegebener Grenzwert der maximal auftretenden Temperatur des Heizelementes im Glührohr der Glühkerze, beispielsweise der Heiz- und Regelwendel, unterhalb seiner Schmelztemperatur nicht überschritten wird. Die Anordnung eines Heizelementes im Inneren eines Glührohres und die Einbettung des Heizelementes im Glührohr sind eine mögliche Ausbildungsform, die eine thermischen Tiefpaß darstellt, bei dem während des schnellen Aufheizens die Temperatur des Heizelementes im Vergleich zur Temperatur des Glührohres wesentlich schneller ansteigt. Die Energiezufuhr während des schnellen Aufheizens wird so gesteuert, daß die Temperatur des Heizelementes nie den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dieses Tiefpaßverhalten der Glühkerze ist durch ihren Aufbau gegeben. In dieser Weise kann ein Energie- bzw. Leistungs-Zeit-Profil festgelegt werden, das eine Überhitzung des Heizelementes während des schnellen Aufheizens verhindert.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Aufheizen einer Glühkerze eines gegebenen Glühkerzentyps in einer gegebenen Anordnung in einer Brennkraftmaschine auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur in der Vorheiz-Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Aufheizen auf die vorbestimmte Betriebstemperatur benötigte Heizenergie aus den Parametern des jeweiligen Glühkerzentyps in der gegebenen Anordnung und der Ausgangstemperatur der Glühkerze ermittelt und der Glühkerze zugeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Heizenergie der Glühkerze innerhalb eines gewählten Vorheizzeitintervalls zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das Vorheizzeitintervall in Teilzeitintervalle unterteilt wird und die auf die Glühkerze in den jeweiligen Teilzeitintervallen übertragende Heizenergie bestimmt und aufaddiert wird.
  4. 4. Schaltungsanordnung zum Aufheizen einer Glühkerze eines gegebenen Glühkerzentyps in einer gegebenen Anordnung einer Brennkraftmaschine auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur in der Vorheiz-Phase, gekennzeichnet durch einen Schalter (11) und einen Messwiderstand (12), die in Reihe geschalten sind und über die eine Versorgungsspannung an der Glühkerze liegt, und eine elektronische Steuer- und Auswerteeinheit (16), an der die Spannung über den Messwiderstand (12) und die Spannung an der Glühkerze liegen, die daraus die der Glühkerze zugeführte Heizenergie bestimmt und über ihr Ausgangssignal (15) den Schalter (11) so steuert, daß die aus den Parametern des jeweiligen Glühkerzentyps in der gegebenen Anordnung und der Ausgangstemperatur der Glühkerze ermittelte und in der Steuer- und Auswerteeinheit (16) vorgegebene benötigte Heizenergie innerhalb eines gewählten Vorheizzeitintervalls der Glühkerze zugeführt wird.






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