DE2840640C2 - Flame starting system - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Flammstartaniage für Brennkraftmaschinen — insbesondere für den Kaltstart von selbstzündenden Brennkraftmaschinen — welche einen in der Luft-Ansaugleitung angeordneten, von einer Batterie bzw. dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie beaufschlagbaren Mantelheizleiter aufweist, auf den oüer auf dessen Mantel der Kraftstoff aufgespritzt wird, bei der die Temperatur des Heizleiters gemessen wird und die elektrische Spannungsquelle bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur vom Heizleiter abgeschaltet und beim Unterschreiten einer unteren Grenztemperatur wieder zugeschaltet wird.The invention relates to a flame starting system for internal combustion engines - especially for the cold start of compression-ignition internal combustion engines - which is arranged in the air intake line, from a battery or the electrical system of a motor vehicle having a jacket heating conductor that can be charged with electrical energy, on the oüer on its Coat the fuel is sprayed on, at which the temperature of the heating conductor is measured and the electrical voltage source switched off by the heating conductor when an upper limit temperature is exceeded and is switched on again when the temperature falls below a lower limit.
Jj Niedrige Umgebungstemperaturen sind bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen vielfach die Ursache für Anlaßschwierigkeiten, schlechten Rundlauf und Blaurauschbildung bei der Verbrennung. Diese negativen Eigenschaften sind letztlich darauf zurückzuführen, daß die Entflammung des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffes erschwert wird durch die relativ niedrige Verdichtungsendtemperatur der komprimierten Ansaugluft. Sie resultiert außer der niedrigen Ansauglufttemperatur selbst auch noch aus dem Entzug von Verdichtungswärme infolge des Wärmetausches der komprimierten Luft mit den kalten Brennraumwänden. Lange Anlaßzeiten beim Start können die Folge sein, wobei der dafür benötigte hohe Energieentzug aus der Batterie seinerseits eine Verringerung der AnzahlJj Low ambient temperatures are self-igniting Internal combustion engines are often the cause of starting difficulties, poor concentricity and Blue noise formation during combustion. These negative properties are ultimately due to that the ignition of the fuel injected into the combustion chamber is made more difficult by the relative low compression end temperature of the compressed intake air. It results besides the low one Intake air temperature itself also from the extraction of compression heat as a result of the heat exchange the compressed air with the cold combustion chamber walls. Long starting times at the start can result be, the required high energy extraction from the battery in turn a reduction in the number
so der wiederholbaren Starts nach einem mißglückten Anlassen bedeutet.so of repeatable starts after an unsuccessful start.
Im Falle des Kurzstreckeneinsatzes von mit selbstzündenden Brennkraftmaschinen betriebenen Fahrzeugen fällt dies wegen der verhältnismäßig lange dauernden Regenerierung der Batterie infolge hoher Aufladezeiten vom Bordnetz her besonders erschwerend ins Gewicht.In the case of short-distance use of vehicles operated with compression-ignition internal combustion engines this falls because of the relatively long duration of regeneration of the battery due to high Charging times from the on-board network are particularly difficult.
Diese Nachteile gaben Anlaß für die Entwicklung von Starthilfen verschiedenster Art. Sie sollten alle eine Erhöhung der Anspringwahrscheinlichkeit und eine zeitliche Verkürzung der Anlaßphase für die Brennkraftmaschine bringen.These drawbacks have prompted the development of all kinds of jump starters. They should all contain one Increase in the likelihood of starting and a shortening of the starting phase for the internal combustion engine bring.
Den meisten dieser Einrichtungen liegt die Maßnahme zugrunde, die kalte Ansaugluft im Bereich des Ansaugkanals vorzuwärmen. In der Regel wird dazu ein Teil des mitgeführten Kraftstoffes im Ansaugkanal verbrannt. Aufwendigere Vorrichtungen zerstäuben und zünden den unter Druck zugeführten Kraftstoff, umMost of these facilities are based on the measure, the cold intake air in the area of the Preheat the intake duct. As a rule, some of the fuel carried along is in the intake duct for this purpose burned. More complex devices atomize and ignite the fuel supplied under pressure to
so eine Ansaugluftvorwärmung zu erzielen. Andere, bereits vorgeschlagene Geräte erreichen das gleiche Ziel mit einer thermischen Verdampfung und Entflammung des druckgeförderten und drosseldosierten Kraftstoffes an einem elektrisch vorgeheizten Mantelheizleiter. Mit einem perforierten Blechmantel oder einem Sieb zur Verbesserung der Flammhaltung und des Aasbrandes versehen, werden solche elektrische Heizvorrichtungen als sog. Flammglühkerzen auf dem Markt vertrieben.in this way to achieve intake air preheating. Other, already proposed devices achieve the same goal with thermal evaporation and ignition of the pressurized and throttled fuel on an electrically preheated jacket heating conductor. With a perforated sheet metal jacket or a sieve to improve the flame retardancy and the Aasbrandes provided, such electrical heating devices as so-called flame glow plugs are on the market expelled.
Vor dem beabsichtigten Anlassen des Motors wird bei diesen Anlage« der Mantelheizleiter so lange an die Fahrzeugbatterie geschaltet bis seine OberP.ächentemperatur Beharrung erreicht hat. Die Oberflächentemperatur ist normalerweise so hoch, daß sie die bereits erwähnte Verdampfung und Entzündung des Kraftstoffes sicherstellt.Before the intended start of the engine, the jacket heating conductor is connected to the Vehicle battery switched until its surface temperature has reached steady-state. The surface temperature is normally so high that it causes the aforementioned evaporation and ignition of the fuel ensures.
Um die notwendige Wärmequellendichte am Heizleiter auch während des Bordnetzspannungszusammenbruches beim Anlassen gleich groß zu halten, wird die Nennspannung beim Auslegen des Heizleiters an der erwarteten, niedrigsten Batteriespannung während der Betätigung des Anlassers orientiert Im Zustand des Vorglühens muß daher der Heizleiter mit einem Vorwiderstand betrieben werden, um trotz höherer Bordnetzspannung gegenüber der Heizleiternennspannung für den vorbestimmten Nennwärmeumsatz im Heizleiter zu sorgen. Während des Anlassens wird der Vorwiderstand dann lediglich mittels eines Relaiskontaktes kurzgeschlossen. i"To obtain the necessary heat source density on the heating conductor even during the on-board power supply breakdown to keep the same when starting, the nominal voltage when laying out the heating conductor on the expected, lowest battery voltage during operation of the starter oriented In the state of Therefore, the heating conductor must be operated with a series resistor during preheating in order to avoid higher On-board network voltage compared to the nominal heating conductor voltage for the predetermined nominal heat conversion in To provide heating conductors. During the start-up, the series resistor is then only activated by means of a relay contact shorted. i "
Es handelt sich hierbei um eine technisch einfach zu realisierende Anlaßhilfe, die sich durch Unkomplizierheit und Preisgünstigkeit auszeichnet Nachteilig ist allerdings die Notwendigkeit einer genauen Abstimmung der Batterie bei der Auslegung des elektrischen a Anlassers auf die feste Nennspannung des Mantelheizleiters. In der Praxis neigt man dazu, die Auswahl der Fahrzeugbatterie vorwiegend an den Erfordernissen des elektrischen Anlaßvorganges zu orientieren, was andererseits bedeutet, daß der Mantelheizleiter nicht nur mit niedrigeren Nennspannungen als den bisher marktüblichen verfügbar sein müßte, sondern überhaupt flexibler auf die keineswegs so reproduzierbaren, lastabhängigen Spannungsverhältnisse an der Batterie reagieren sollte. Er müßte beispielsweise auch in der 4r> Lage sein, nicht wie bisher praktisch nur als ein System mit konstant eingeprägter Leistung zu reagieren, sondern er sollte es auch ermöglichen, auf thermodynamische Störgrößen, wie Verdampfungswärmeentzug, beispielsweise durch das Aufspritzen von Kraftstoff auf den Heizleiter bzw. dessen Mantel oder durch Kühlung infolge Zwangskonvektion über die Ansaugluft bei erhöhter Leerlaufdrehzahl in besserer Weise als bisher zu reagieren.This is a technically simple to implement occasion help, which is characterized by Unkomplizierheit and affordability disadvantage, however, is the need for accurate matching of the battery in the design of the electrical a starter to the fixed nominal voltage of Mantelheizleiters. In practice there is a tendency to base the selection of the vehicle battery primarily on the requirements of the electrical starting process, which on the other hand means that the jacket heating conductor not only has to be available with lower nominal voltages than those currently available on the market, but also more flexible to the by no means reproducible, should react to load-dependent voltage conditions on the battery. He would, for example, in the 4 r> be able previously to respond only as a system with constant load-independent performance as practical, it should also make it possible to thermodynamic disturbances, such as evaporation heat extraction, for example by the spraying of fuel to the heating conductor or its jacket or by cooling as a result of forced convection via the intake air at increased idle speed to react in a better way than before.
Eine Flammstartanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 20 62 456 bekannt Bei ihr ist die ummantelte Glühkerze über eine elektrische Schaltuhr beheizbar und unmittelbar an der Glühkerze ist ein aus einer Bimetallfeder mit Kontaktgebern bestehender Thermostat vorgesehen, der von einem ω> zwischen den Glühstiften angeordneten Wärmefühler gesteuert wird. Die dabei gemessene Temperatur dient gleichzeitig als Umschaltparameter. Diese Vorrichtung ist zwar relativ einfach, sie hat jedoch den großen Nachteil, daß sie nicht trägheitslos arbeitet. Die «5 unterschiedliche Höhe der Ansauglufttemperatur, der Wärmeentzug durch das Aufspritzen des Kraftstoffes, ein kurzzeitiges Verlöschen der Zündflamme, die unterschiedliche Verdampfungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes und andere Einflüsse führen leicht dazu, daß die Stromzu- oder -Abschaltung verspätet erfolgt so daß einerseits der Anwärmvorgang zu lange dauert und andererseits der Heizleiter durch Überschreiten der zulässigen Grenztemperatur thermisch gefährdet ist. Vor allem aber kann die träge Schaltungsweise leicht zum Zusammenbruch des Bordnetzes führen, was unbedingt vermieden werden soll.A flame starting system according to the generic term of Claim 1 is known from DE-OS 20 62 456. In her case, the sheathed glow plug has an electrical The timer is heated and directly on the glow plug is a bimetallic spring with contactors existing thermostat provided by a ω> Heat sensor arranged between the glow plugs is controlled. The measured temperature is used at the same time as a switching parameter. While this device is relatively simple, it has the big one Disadvantage that it does not work without inertia. The «5 Different levels of the intake air temperature, the heat extraction through the spraying of the fuel, a brief extinction of the pilot flame, the different evaporation speed of the Fuel and other influences easily lead to the power being switched on or off too late so that on the one hand the heating process takes too long and on the other hand the heating conductor by exceeding the permissible limit temperature is thermally endangered. Above all, however, the sluggish switching mode can be easy lead to a breakdown of the on-board network, which must be avoided at all costs.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei einer Flammstartanlage der eingangs beschriebenen Art die Oberflächentemperatur des Heizleiters trägheitslos derart zu regeln, daß unabhängig von der Höhe der Bordnetzschwankungen sowie der Temperatur der Ansaugluft des Wärmeentzuges durch Aufspritzen von Kraftstoff oder anderen Einflüssen auch nach kurzzeitigem Verlöschen der Zündflamme sowohl eine ausreichende Kraftstoffverdampfung als auch das Entzünden des Kraftstoffdampf-Luftgemisches in jedem Falle ohne thermische Gefährdung des Heizleiters gesichert ist.It is therefore the object of the invention, in a flame starting system of the type described above, the To regulate the surface temperature of the heating conductor without inertia in such a way that regardless of the height of the Fluctuations in the electrical system and the temperature of the intake air of the heat extraction by spraying on Fuel or other influences, even after the pilot flame has been extinguished for a short time, is sufficient Fuel vaporization as well as the ignition of the fuel vapor-air mixture in any case without thermal hazard to the heatsealing band is assured.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst daß die Nennspannung des Heizleiters etwa halb so hoch wie die Spannung der Batterie bzw. des Bordnetzes gewählt und der Heizleiter aus einem Material mit einem möglichst hohen, positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstandes hergestellt wird, daß die Temperatur des Heizleiters von einer den Heizleiter über einen Impulsgeber kurzzeitig intermittierend mit der Batterie bzw. dem Bordnetz verbindenden, aus einzelnen Schaltgliedern aufgebauten Steuerung beeinflußt wird, wobei das Zu- und Abschalten der Batterie bzw. des Bordnetzes zum Aufheizen des Heizleiters auf seinen Sollwert aufgrund einer Überwachung seines temperaturabhängigen Widerstandes mittels einer Wheatstoneschen Brückenschaltung erfolgt deren Meßdiagonale mit einer in einem Komparator einstellbaren, den Sollwert darstellenden Spannung verglichen wird, welche einer Temperatur des Heizleiters entspricht, die geringfügig unter seiner höchstzulässigen Grenzternperatur liegt.According to the invention, the object is achieved in that the nominal voltage of the heating conductor is about half as high as the voltage of the battery or the electrical system and the heating conductor is made of a material with a high, positive temperature coefficient of the specific electrical resistance that the temperature of the heating conductor is influenced by a control system that connects the heating conductor briefly and intermittently to the battery or the on-board network via a pulse generator, the switching on and off of the battery or the on-board network to heat the heating conductor to its setpoint value due to monitoring Its temperature-dependent resistance is carried out by means of a Wheatstone bridge circuit, the measuring diagonal of which is compared with a voltage which can be set in a comparator and represents the setpoint value, which corresponds to a temperature of the heating conductor that is slightly below its maximum permissible value Limit temperature is.
Es ist bereits bekannt, bei stark unterschiedlichen Versorgungsspannungen, wie sie z. B. im Fahrzeugbetrieb infolge des Ladungszustandes der Batterie auftreten, die elektrische Leistung von Heizelementen, z, B. von Glühkerzen, zu regeln, so daß sich an diesen eine möglichst konstante Temperatur einstellt. Dabei werden für die Heizelemente Heizwiderstände mit großem Temperaturkoeffizienten verwendet, und die Heizwiderstände dienen zugleich als Temperaturfühler, wobei deren durch Temperaturschwankungen bedingte Widerstandsänderungen in einer Brückenschaltung (Wheatstonesche Brücke) in Steuerimpulse zur Regelung der aufgenommenen elektrischen Leistung umgesetzt werden (DE-OS 14 26 173). Bei der bekannten Einrichtung wird keine höhere Spannung für die Batterie bzw. das Bordnetz gewählt, außerdem werden teilweise andere Steuerungselemente verwendet.It is already known, at widely different supply voltages, as z. B. in vehicle operation due to the state of charge of the battery occur, the electrical power of heating elements, For example, to regulate glow plugs, so that the temperature is as constant as possible. Included heating resistors with a large temperature coefficient are used for the heating elements, and the Heating resistors also serve as temperature sensors, whereby these are caused by temperature fluctuations Changes in resistance in a bridge circuit (Wheatstone bridge) in control pulses for regulation the electrical power consumed are implemented (DE-OS 14 26 173). With the well-known In addition, no higher voltage is selected for the battery or the vehicle electrical system sometimes other control elements are used.
Auch ist es aus einer älteren, nicht vorveröffsntlichten Anmeldung (DE-OS 27 43 059) bekannt, die Glühkerzen zwecks schneller Erwärmung auf ihre Glühtemperatur mit einem überhöhten Strom zu speisen und ihnen nach Erreichen der Glühtemperatur den Strom nur noch stoßweise zuzuführen. Dabei sind die Glühkerzen für eine geringere Spannung als die der Batterie ausgelegt.It is also from an older, not previously published Application (DE-OS 27 43 059) known, the glow plugs for the purpose of faster heating to their glow temperature to feed them with an excessive current and only to supply them with the current after the annealing temperature has been reached to be fed in bursts. The glow plugs are designed for a lower voltage than that of the battery.
Die Lehren der beiden genannten Druckschriften können aber nicht miteinander kombiniert werden; mit anderen Worten, die Neuheit der vorliegenden Erfin-However, the teachings of the two publications mentioned cannot be combined with one another; with other words, the novelty of the present invention
dung ist jeweils gegenüber den einzelnen Druckschriften gegeben.information is given in relation to the individual publications.
Die Wahl einer höheren Spannung für die Batterie bzw. das Bordnetz ist erforderlich, um eine ausreichend hohe elektrische Spannungsreserve zur Verfügung zu haben, damit ein sog. Spannungszusammenbruch nicht auftreten kann. Erreicht wird dies in der Praxis beispielsweise durch Verwendung eines handelsüblichen, für V-Bordnetze ausgelegten Mantelheizleiters, der an ein 12-24-V-Bordnetz angeschlossen ist. Auf- m grund der in der Luft-Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine herrschenden, stark unterschiedlichen Verhältnisse muß natürlich auch berücksichtigt werden, daß bei einer solchen Auslegung eine Überbeanspruchung des Mantelheizleiters nicht auftreten darf, obwohl andererseits zur sicheren Funktion angestrebt wird, die Temperatur des Mantelheizleiters möglichst hoch und konstant zu halten. Dies wird dadurch erreicht, daß man die tatsächliche Temperatur des Heizleiters laufend mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht, der geringfügig unter seiner zulässigen Grenztemperatur liegt. 1st dieser Sollwert erreicht, so wird der Heizleiter jeweils von der Batterie bzw. dem Bordnetz abgeschaltet, bis er auf ein bestimmtes, vorher festgelegtes Maß, den unteren Schwellwert, abgekühlt ist. Danach erfolgt erneut eine Aufheizung.The choice of a higher voltage for the battery or the vehicle electrical system is necessary in order to achieve a sufficient to have a high electrical voltage reserve available so that a so-called voltage collapse does not occur can occur. This is achieved in practice, for example, by using a commercially available, Jacketed heating conductor designed for V-vehicle electrical systems, which is connected to a 12-24 V electrical system. Auf- m due to the very different conditions prevailing in the air intake line of an internal combustion engine Of course, it must also be taken into account that such a design will result in overstressing of the jacket heating conductor must not occur, although on the other hand, the aim is to ensure reliable functioning Keeping the temperature of the jacket heating conductor as high and constant as possible. This is achieved by continuously compares the actual temperature of the heatsealing band with a specified target value, which is slightly is below its permissible limit temperature. If this setpoint is reached, the heatsealing band will in each case switched off by the battery or the on-board network until it reaches a certain, predetermined level, the lower threshold, has cooled down. Thereafter, heating takes place again.
Nun ist es andererseits schwer, die Temperatur des in der Luftansaugleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Mantelheizleiters laufend genau genug zu kontrollieren. Es mußte daher nach einem Weg bzw. jo nach einer anderen Meßgröße gesucht werden, durch die eine Kontrolle möglich wird. Es ist bekannt, daß sich je nach dem zur Anwendung kommenden Material bei Erwärmung desselben auch der Widerstand ändert, der je eine Funktion der Temperatur darstellt. Mit Erhöhen des Widerstandes ändert sich bei eingeprägtem Strom aber auch die elektrische Spannung. Diese Erkenntnisse wurden in vorliegendem Falle ausgenützt, nachdem man feststellte, daß die Widerstandsänderung bei marktgängigen Mantelheizleitern durchaus in einer Größenordnung und Reproduzierbarkeit anzutreffen ist, die bei Wahl einer entsprechend aufgebauten Steuerung eine Kontrolle der Temperatur erlaubt Achtet man dabei noch darauf, daß für den Heizleiter ein Material gewählt wird, welches einen möglichst hohen, positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, so kann die vorstehend grob beschriebene Steuerung mit den heutigen Erkenntnissen in der Elektrotechnik gelöst werden.On the other hand, it is now difficult to determine the temperature of the air intake pipe of the internal combustion engine The jacket heating conductor has to be checked continuously enough. It therefore had to find a way or jo be searched for another measured variable by means of which a control becomes possible. It is known that Depending on the material used, when it is heated, the resistance also changes each represents a function of temperature. As the resistance increases, the impressed current changes but also the electrical voltage. These findings were used in the present case after one found that the change in resistance in commercially available jacketed heating elements is quite an order of magnitude and reproducibility can be encountered, which is a must when a suitably constructed control system is selected Control of the temperature allowed. Make sure that a material is chosen for the heating conductor which has the highest possible, positive temperature coefficient the control roughly described above can be carried out with today's knowledge be solved in electrical engineering.
Durch den neuen Lösungsweg wird die Temperatur des Heizleiters durch eine intermittierende Kontrolle immer nahezu konstant gehalten und nicht vorhersehbare, sich immer wieder ändernde Einflüsse wie beispielsweise die Temperatur der Ansaugluft oder der Wärmeentzug durch Aufspritzen des Kraftstoffes auf den Mantel des Mantelheizleiters werden jeweils ausgeglichen. Als weiterer Vorteil ist anzuführen, daß die Vorglühzeit für den Heizleiter ganz erheblich verkürzt wird.With the new approach, the temperature of the heating conductor is controlled intermittently always kept almost constant and unforeseeable, constantly changing influences such as For example, the temperature of the intake air or the extraction of heat by spraying the fuel on the jacket of the jacket heating conductor are each compensated. Another advantage is that the preheating time for the heating conductor is shortened considerably.
Für die Regelung selbst können, nachdem das Prinzip bekannt ist, verschiedene elektronische bzw. elektrische Bausteine Verwendung finden. In vorliegendem Falle wird über eine Wheatstonesche Brücke der Widerstand und damit die Temperatur des Mantelheizleiters gemessen und die sich daraus ergebende elektrische Spannung mit einer eingestellten Sollspannung vergfi- b1» chen. Beträgt die Spannung an den Abgleichpunkten der Brücke »Null«, so hat der Mantelheizleiter seine Solltemperatur erreicht und die Batterie bzw. das Bordnetz wird über einen Komparator abgeschaltet. Zur laufenden Kontrolle der Abkühlung des Heizlciters ist ein Nadelimpulsgenerator und ein »Oder«-Verknüpfungsglied vorgesehen, wodurch im unbeheizten Zustand des Heizleiters einem, den Heizleiter mit der Batterie bzw. dem Bordnetz verbindenden, Schaltglied laufend Nadelimpulse zugeführt werden, so daß der Komparator intermittierend die Temperatur des Heizleiters erfährt.After the principle is known, various electronic or electrical components can be used for the control itself. In the present case, the resistance and thus the temperature of the Mantelheizleiters is measured by a Wheatstone bridge, and the resultant voltage with a set reference voltage vergfi- b 1 "chen. If the voltage at the balance points of the bridge is "zero", the jacket heating conductor has reached its target temperature and the battery or the on-board network is switched off via a comparator. A needle pulse generator and an "OR" link are provided for the continuous control of the cooling of the heating oil The temperature of the heatsealing band.
Weitere Einzelheiten der Regelung können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels entnommen werden. Es zeigtFurther details of the scheme can be found in the following description of one in the drawings illustrated embodiment can be taken. It shows
F i g. 1 ein Blockschaltbild der Regelschaltung, Fig.2 eine graphische Aufzeichnung des zeitlichen Temperaturverlaufes am Heizleiter.F i g. 1 is a block diagram of the control circuit, FIG. 2 is a graphical recording of the time Temperature profile on the heating conductor.
F i g. 3 eine graphische Aulzeichnung des zeitlichen Verlaufes der Heiz- und Temperaturabfrage durch Stromimpulse,F i g. 3 a graphical drawing of the temporal Course of the heating and temperature query by current pulses,
Fig.4 eine graphische Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der Verstimmungsspannung über die Meßdiagonale der Brücke.Fig. 4 is a graph of the time Course of the detuning voltage across the measuring diagonal of the bridge.
In Fig. 1 ist der veränderliche Widerstand bzw. der Heizleiter 1 des Mantelheizleiters mit einem temperaturunabhängigen Leistungewiderstand 2, dessen Widerstand etwa 10 bis 30% des Widerstandes 1 beträgt und der beispielsweise aus Konstantan hergestellt sein kann, in Serie geschaltet und ergibt, mit einem vergleichsweise hochohmigen Spannungsteiler 3 parallelgeschaltet eine sog. Wheatstonesche Brücke.In Fig. 1, the variable resistance or the heating conductor 1 of the jacket heating conductor with a temperature-independent Power resistor 2, the resistance of which is about 10 to 30% of the resistor 1 and which can be made of constantan, for example, connected in series and results in a comparative high-resistance voltage divider 3 connected in parallel, a so-called Wheatstone bridge.
Gespeist wird diese Brücke von einer Batterie bzw. vom Bordnetz 4 über einen Betriebsschalter 5 und ein Schaltmittel 6, welches sowohl durch einen nicht dargestellten Leistungstransistor oder auch durch ein Relais geeigneter Bauart realisiert werden kann. Durch Schließen des Schaltmittels 6, beispielsweise ausgelöst durch den Befehl »Vorglühen«, was später noch erläutert wird, erhält die sog. Speisediagonale 7, 8 der Brücke Spannung. Der einsetzende Stromfluß führt im Heizleiter 1 zu einer sehr raschen Erwärmung, die zwangsläufig umso schneller erfolgt, je höher die Batterie- bzw. Bordnetzspannung gegenüber der Nennspannung des Heizleiters 1 ist. Der positive Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstandes des Heizleitermaterials bewirkt mit zunehmender Erhitzung des Heizleiters 1 eine Verringerung der Spannungsdifferenz Au zwischen den Punkten 9,10 der sog. Meßdiagonale der Wheatstoneschen Brücke 1,2,3. Da die Spannungsdifferenz Au ein Abbild der Temperatur des Heizleiters 1 darstellt, signalisiert sie bei einem entsprechenden Abgleich des Spannungsteilers bzw. Potentiometers 3, welches bei einer Serienfertigung durch zwei einzelne Festwiderstände ersetzt werden kann, zugleich das Erreichen der oberen, zulässigen Temperatur des Heizleiters 1 mit dem Spannungswert »Null«, bei dem ein Abschalten des Heizleiters 1 vom Bordnetz 4 erfolgen muß.This bridge is fed from a battery or from the vehicle electrical system 4 via an operating switch 5 and a switching means 6, which can be implemented both by a power transistor (not shown) or by a relay of suitable design. By closing the switching means 6, for example triggered by the “pre-glow” command, which will be explained later, the so-called feed diagonal 7, 8 of the bridge receives voltage. The onset of current flow leads to very rapid heating in the heating conductor 1, which inevitably occurs faster, the higher the battery or vehicle electrical system voltage is compared to the nominal voltage of the heating conductor 1. The positive temperature coefficient of the specific electrical resistance of the heating conductor material causes a reduction in the voltage difference Au between points 9, 10 of the so-called measuring diagonal of the Wheatstone bridge 1, 2, 3 with increasing heating of the heating conductor 1. Since the voltage difference Au represents the temperature of the heating conductor 1, it signals that the upper, permissible temperature of the heating conductor 1 has been reached when the voltage divider or potentiometer 3 is adjusted accordingly, which can be replaced by two individual fixed resistors in series production the voltage value "zero" at which the heating conductor 1 must be switched off from the on-board network 4.
Das Abschalten gelingt mit Hilfe eines hysteresebehafteten !Comparators 11, der die notwendigen Schaltbefehle für das Schaltmittel 6 (realisiert durch Leistungstransistor oder Relais) so abzuleiten gestattet, daß ein Zeitverhalten der Steuerung gemäß Fig.4 sichergestellt ist Entsprechend den F i g. 2 und 3 liefert der Komparator U dem Schaltmittel 6 immer nur dann einen Einschaltbefehl, wenn die Temperatur des Heizleiters 1 eine festgelegte untere Grenze, die der am Komparator 11 eingestellten Einschaltschwelle entspricht, erreicht hat Bestehen bleibt der EinschaltbefehlSwitching off is achieved with the aid of a hysteresis-prone! Comparator 11, which carries out the necessary switching commands for the switching means 6 (implemented by Power transistor or relay) in such a way that a time behavior of the control according to Fig. 4 is ensured according to the F i g. The comparator U supplies 2 and 3 to the switching means 6 only then a switch-on command when the temperature of the heatsealing band 1 has reached a defined lower limit, which is the one on Comparator 11 corresponds to the set switch-on threshold, The switch-on command remains
so lange, bis die stetig zunehmende Temperatur des Heizleiters 1 den oberen Grenzwert erreicht, der ebenfalls vorher manuell als sog. Ausschaltschwelle am Komparator 11 eingestellt wurde.until the steadily increasing temperature of the heating element 1 reaches the upper limit value, the was also previously set manually as a so-called switch-off threshold on the comparator 11.
Die bei Überschreiten der Ausschaltschwelle erfolgende Abschaltung des Heizleiters 1 und damit auch der Brücke 1, 2, 3 vom Bordnetz 4 macht den Komparator 11 an seiner Eingangsseite Ha zunächst spannungslos, d. h. die Steuerung würde, da ihr jegliche Information über den Temperaturzustand des Heizleiters 1 fehlt, aus regelungstechnischen Gründen inaktiv werden.When the switch-off threshold is exceeded, the heating element 1 and thus also the bridge 1, 2, 3 from the on-board power supply 4 are switched off at first, i.e. the control system would be de-energized at its input side Ha , since it lacks any information about the temperature of the heating element 1 , become inactive for control reasons.
Ein solches Informationsdefizit wird jedoch dadurch ausgeglichen, daß dem Ausgang 116 des Komparators 11 ein »Oderw-Verknüpfungsglied 12 nachgeschaltet ist, an das eingangsseitig ein parallel zum Komparator 11 geschalteter, freilaufender, frequenzkonstant arbeitender, astabiler Multivibrator oder Nadelimpulsgenerator 13 angekoppelt wird, der ständig Nadelimpulse aussendetSuch an information deficit is compensated for by the fact that the output 116 of the comparator 11 is followed by an ORW logic element 12, to which a free-running, constant-frequency, astable multivibrator or needle pulse generator 13 connected in parallel to the comparator 11 is coupled on the input side, which constantly has needle pulses sends out
Während der Zeit, in der der Komparator 11 eingangsseitig spannungslos ist, sorgen die Nadelimpulse für ein periodisches Durchsteuern des Schaltmittels 6 entsprechend der Nadelimpulsdauer und der Impulsfolgefrequenz und melden gleichzeitig dem Komparator 11 intermittierend den Temperaturzustand des Heizleiters 1.During the time in which the comparator 11 is de-energized on the input side, the needle pulses ensure that the switching means 6 is periodically controlled according to the needle pulse duration and the pulse repetition frequency and at the same time intermittently report the temperature status of the heating conductor 1 to the comparator 11.
Hat die Spannungsdifferenz Au zwischen den Punkten 9, 10 infolge zunehmender Abkühlung des Heizleiters 1 den Wert der Einschaltschwelle des Komparators 11 angenommen, so liefert dieser wieder ein Einschaltsignal für das Schaltmittel 6, und zwar so lange, bis der Heizleiter 1 seine obere zulässige Temperaturgrsnze erreicht hat. An der Ausschaltschwelle unterbricht der Komparator 11 die Heizphase. Das Spiel wiederholt sich, unabhängig davon, welche thermodynamischen Störgrößen auf den Heizleiter 1 einwirken, wie beispielsweise der Verdampfungswärmeentzug beim Aufspritzen des Kraftstoffes auf den Mantel des Mantelheizleiters oder die Kühlung des Heizleiters 1 durch den Ansaugluftstrom der Brennkraftmaschine. If the voltage difference Au between points 9, 10 has assumed the value of the switch-on threshold of the comparator 11 as a result of increasing cooling of the heating conductor 1, the comparator 11 again supplies a switch-on signal for the switching means 6 until the heating conductor 1 reaches its upper permissible temperature limit Has. At the switch-off threshold, the comparator 11 interrupts the heating phase. The game repeats itself regardless of which thermodynamic disturbances act on the heating conductor 1, such as the evaporation heat extraction when the fuel is sprayed onto the jacket of the jacket heating conductor or the cooling of the heating conductor 1 by the intake air flow of the internal combustion engine.
Ein Maß für die Regelgüte des Heizleiters 1 stellt natürlich die Welligkeit beim Stabilisierungsvorgang dar. Es versteht sich von selbst, daß die Regelgüte mit geringer werdender Schwankungsbreite der »Istwert«- Temperatur steigt, was durch kleinere Hysterese des Komparators 11 erzielbar ist Allerdings muß sie meist mit größerem Aufwand beim Komparator 11 erkauft werden und zwar durch hohe DriftarmuL Zugleich stellen sich infolge der höheren Schaltfolgefrequenz auch höhere Anforderungen an das Schaltmittel 6 ein. A measure of the control quality of the heating conductor 1 is of course the ripple during the stabilization process. It goes without saying that the control quality increases as the fluctuation range of the "actual value" temperature decreases, which can be achieved by means of a smaller hysteresis of the comparator 11 can be bought with greater effort in the comparator 11 , namely through high drift reduction. At the same time, higher demands are placed on the switching means 6 as a result of the higher switching repetition frequency.
Hinsichtlich der Folgefrequenz des Nadelimpulsgenerators 13 gilt, daß diese ein Vielfaches der Ein- und Ausschalt-Folgefrequenz der Heizstromimpulse für den Heizleiter 1 sein muß. Bezüglich des Tastverhältnisses, das ist das Verhältnis zwischen der Impulsdauer und dem Impulsabstand, der periodischen Nadelimpulse, ist sicherzustellen, daß der Beitrag dieser »Temperatur-Abfrageimpulse« zum Beheizen des Heizleiters 1 kleiner sein muß als der kleinste, jeweils auftretende Wärmeveriust am Heizleiter 1. Verluste dieser Art sind beispielsweise die Wärmeabfuhr infolge natürlicher Konvektion (Vorglühphase) oder die Verluste bei brennendem Mantelheizleiter im Ansaugluftstrom bei AnlasserdrehzahL With regard to the repetition frequency of the needle pulse generator 13 , this must be a multiple of the switch-on and switch-off repetition frequency of the heating current pulses for the heating conductor 1. With regard to the pulse duty factor, that is the ratio between the pulse duration and the pulse spacing, the periodic needle pulses, it must be ensured that the contribution of these "temperature interrogation pulses" to heating the heating conductor 1 must be smaller than the smallest, respectively occurring heat loss on heating conductor 1. Losses of this type are, for example, the heat dissipation due to natural convection (preheating phase) or the losses when the jacket heating element is burning in the intake air flow at the starter speed
Gemäß Fig. 1 ist ferner noch eine Glühlampe 14 parallel zum Heizleiter 1 und zum Leistungswiderstand 2 geschaltet die eine Kontrolle für das Funktionieren der Steuerung darstellt und für die Dauer des Anstehens des Hcizleistungsimpul.ses am Heizleiter 1 hell aufleuchtet. According to FIG. 1, an incandescent lamp 14 is also connected in parallel to the heating conductor 1 and to the power resistor 2, which is a control for the functioning of the control and lights up brightly for the duration of the Hcizleistungsimpul.ses on the heating conductor 1.
Die Beendigung der Vorglühphase, die gleichbedeutend mit der Startbereitschaft der Brennkraftmaschine ist, signalisiert eine Glühlampe 15. Wie bereits beschrieben, wird nach dem Schließen des Betriebsschalters 5 die Ansteuerung für den Mantelheizleiter 1 freigegeben. Der nach kurzer Wartezeit einlaufendeThe termination of the preheating phase, which is equivalent when the internal combustion engine is ready to start, an incandescent lamp signals 15. As already is described, after the operating switch 5 is closed, the control for the jacket heating conductor 1 Approved. The one arriving after a short waiting period
Kl erste Impuls des Nadelimpulsgenerators 13 überführt das Schaltmittel 6 mit Hilfe des Komparators 11 in einen »Einrastzustand«, der so lange anhält, bis der Heizleiter 1 seine Solltemperatur erreicht hat. Nach Beendigung dieser ersten Heizphase, die auch Vorglühphase genannt wird, führt der Komparator 11 an seinem Ausgang Wb kein Ansteuersignal mehr für das Schaltmittel 6. Sein invertierender Ausgang lic dagegen ist nunmehr geeignet, einen Transistor 16 durchzusteuern, der seinerseits ein Relais 17 erregt, das sich über einen eigenen Arbeitskontakt 17a selbst hält. Ein Tiefpaßfilter 18, bestehend aus einer einfachen RC- Kombination, ist dem Basisanschluß des Transistors The first pulse of the needle pulse generator 13 transfers the switching means 6 with the aid of the comparator 11 to a "latched state" which lasts until the heating conductor 1 has reached its setpoint temperature. After completion which is also called preheating of this first heating phase, the comparator 11 supplies at its output Wb no drive signal more for the switching means 6. Its inverting output lic, however, is now suitable to control a transistor 16, which in turn energizes a relay 17, keeps itself through its own working contact 17a. A low-pass filter 18, consisting of a simple RC combination, is the base connection of the transistor
16 vorgeschaltet, um ein Fehlansprechen des Relais 17 während der »Einrastphase« des Schaltmittels 6 zu 16 upstream in order to prevent the relay 17 from responding incorrectly during the “latching phase” of the switching means 6
2:i vermeiden. Ein weiterer Arbeitskontakt 176 des Relais 2: i avoid. Another normally open contact 176 of the relay
17 erregt ein in seinem Anzug verzögertes Relais 19 über einen in Emitterstromgegenkopplung arbeitenden Transistor 20 (Zenerdiode 25). Das Relais 19, welches auch als Zeitglied bezeichnet werden kann, läßt17 energizes a delayed relay 19 via an emitter current negative feedback Transistor 20 (zener diode 25). The relay 19, which can also be referred to as a timer, can
}" schließlich nach Ablauf seiner Anzugsverzögerung durch den Arbeitskontakt 19a die Glühlampe 15 aufleuchten, wodurch die Startbereitschaft gegeben ist. } " Finally, after its pick-up delay has elapsed, the incandescent lamp 15 lights up through the normally open contact 19a , which means that it is ready to start.
Das Konstantstrom-Regelverhalten des TransistorsThe constant current control behavior of the transistor
20 stellt eine Maßnahme dar, die den Einfluß der20 shows a measure that the influence of the
J1 Batterie- bzw. der Bordnetzspannung auf die Bildung der Verzögerungszeit des Relais 19 ausschaltet und somit deren Reproduzierbarkeit sichert. Thermodynamisch stellt die Verzögerungszeit des Relais 19 die Zeit dar, die vom Erreichen des Sollwertes der Temperatur J1 switches off the battery voltage or the on-board electrical system voltage for the formation of the delay time of the relay 19 and thus ensures its reproducibility. Thermodynamically, the delay time of relay 19 represents the time from reaching the setpoint of the temperature
4(1 für den Heizleiter 1 an vergeht, bis der Mantel des Mantelheizleiters die Nenntemperatur angenommen hat Bestimmt wird diese Zeit im wesentlichen von der Wärmeleitfähigkeit der den Heizleiter 1 umgebenden Keramikisolation sowie von der Wärmekapazität des 4 (1 for the heating conductor 1 passes until the jacket of the jacket heating conductor has reached the nominal temperature
■"'· letztere umschließenden metallischen Mantels, auf dessen Oberfläche während des Anlassens und Nachflammens der Kraftstoff aufgespritzt wird. ■ "'· the latter enclosing metallic jacket, on the surface of which the fuel is sprayed during starting and after-flaming.
Im Augenblick des Anlassens der Brennkraftmaschine wird ein in Serie zum Emitter des Transistors 16 At the moment the internal combustion engine is started, a is connected in series with the emitter of transistor 16
"'" geschalteter Kontakt 21 unmittelbar vom Zündschloß her oder über ein von diesem gesteuertes Hilfsrelais geöffnet Das Relais 19 hat während des Anlaßvorganges genügend Zeit, sich zu entregen und die Glühlampe 15, auch Startbereitschaftslampe genannt, verlöschen zu lassen. "'" Switched contact 21 directly from the main switch or her via a controlled from this auxiliary relay opened, the relay 19 has to de-energize during the starting process and sufficient time to allow the incandescent lamp 15, also called start ready lamp extinguished.
In F i g. 2 ist auf der Ordinate 22 die Temperatur Tdes Heizleiters 1 und auf der Abszisse 23 der zeitliche Verlauf, d. h. die Zeit aufgezeigt Die Kurve 24 zeigt die Istwerttemperatur am Heizleiter 1, die zwischen einerIn Fig. 2 is the temperature Tdes on the ordinate 22 Heating conductor 1 and on the abscissa 23 the course over time, d. H. the time shown The curve 24 shows the Actual value temperature on heating conductor 1, which is between a im Komparator 11 eingestellten Einschaltschwelle, die hier mit der Abszisse 23 zusammenfällt und einer die zulässige Grenztemperatur des Heizleiters 1 nahezu erreichenden Ausschaltschwelle 26 schwankt Bei der Einschaltschwelle 23 wird das Schaltmittel 6 geschlos-in the comparator 11 set switch-on threshold, the here coincides with the abscissa 23 and one of the permissible limit temperature of the heating conductor 1 almost reaching the switch-off threshold 26 fluctuates At the switch-on threshold 23, the switching means 6 is closed.
sen und die Aufheizung beginnt, bis die Ausschaltschwelle 26 erreicht istsen and the heating begins until the switch-off threshold 26 is reached
Gemäß F i g. 3 zeigt die Ordinate 27 die Stromstärke und die Abszisse 23 wiederum den Zeitverlauf an. DieAccording to FIG. 3, the ordinate 27 shows the current intensity and the abscissa 23 again shows the time course. the
Rechtecke 29 zeigen die Zeit an. während der der Heizleiter 1 ununterbrochen aufgeheizt wird. Mit F i g. 2 verglichen ist zu erkennen, daß bei Erreichen der Ausschaltschwelle 26 der Aufheizvorgang abgebrochen wird. Während der Zeit der Abkühlung des Heizleiters 1 bis auf die Einschaltschwelle 23 wird die Temperatur des Heizleiters 1 in gleichen Abständen und mit jeweils gleichlangen Stromimpulsen 30 intermittierend abgefragt, bis wieder ein Aufheizvorgang beginnt.Rectangles 29 indicate the time. during which the heating conductor 1 is continuously heated. With F i g. 2 compared it can be seen that when the switch-off threshold 26 is reached, the heating process is terminated will. During the time the heating conductor 1 is cooling down to the switch-on threshold 23, the temperature of the Heating conductor 1 intermittently queried at the same intervals and with current pulses 30 of the same length, until another heating process begins.
Fig.4 schließlich zeigt auf der Ordinate 31 die Spannungsdifferenz Δυ, gemessen an den Ausgangs- Finally, FIG. 4 shows on the ordinate 31 the voltage difference Δυ, measured at the output
1010
punkten 9, 10 der Wheatstoneschen Brücke zwischen der Einschaltschwelle 23 und der Ausschaltschwelle 26. Auf der Abszisse 23 ist wieder der Zeitverlauf aufgetragen. Während des Aufheizvorganges für den Heizleiter 1 wird die Spannungsdifferenz Δυ zwischen den Punkten 9,10 in Form einer Kurve 32 immer kleiner und erreicht bei der Ausschaltschwelle 26 den Wert »Null«. Die anschließend folgenden .Stromimpulse 30 zeigen eine wachsende Spannungsdifferenz Δυ, bis die Einschaltschwelle 23 wieder erreicht ist.points 9, 10 of the Wheatstone bridge between the switch-on threshold 23 and the switch-off threshold 26. On the abscissa 23, the time course is again plotted. During the heating process for the heating conductor 1, the voltage difference Δυ between the points 9, 10 in the form of a curve 32 becomes smaller and smaller and reaches the value “zero” at the switch-off threshold 26. The subsequently following .Stromimpulse 30 show an increasing voltage difference Δυ until the switch-on threshold 23 is reached again.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| OAP | Request for examination filed | ||
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| 8363 | Opposition against the patent | ||
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