DE10050513A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugheizgeräts - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeugheizgeräts

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines einen Brenner aufweisenden Heizgeräts, insbesondere eines Fahrzeug-Heizgeräts, bei dem in Abhängigkeit von einem einen Meßwert repräsentierenden Sensorsignal eines in einem Verbrennungsluftkanal angeordneten Verbrennungsluft-Massenstromsensors der Verbrennungsluft-Massenstrom gesteuert wird. Zum Erreichen einer einfachen und zuverlässigen Steuerung ist vorgesehen, daß eine Steuerung des Verbrennungsluft-Massenstroms erfolgt, wenn ein jeweiliger Meßwert des Verbrennungsluft-Massenstromsensors oberhalb eines oberen Grenzwertes oder unterhalb eines unteren Grenzwertes des Verbrennungsluft-Massenstroms liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steue­ rung eines einen Brenner aufweisenden Heizgeräts, insbesondere eines Fahr­ zeug-Heizgeräts, bei dem in Abhängigkeit von einem einen Meßwert repräsentie­ renden Sensorsignal eines in einem Verbrennungsluftkanal angeordneten Ver­ brennungsluft-Massenstromsensors der Verbrennungsluft-Massenstrom gesteu­ ert wird.
Ein derartiges Heizgerät kommt insbesondere in Kraftfahrzeugheizgeräten zum Einsatz, die z. B. als antriebsmotorunabhängige Zusatzheizgeräte in Personen- und Lastkraftwagen, Campinganhängern, Campingmobilen wie auch in Booten und Schiffen Verwendung finden. Das Heizgerät enthält üblicherweise eine von einem umgewälzten Wärmeträger umströmte Brennkammer, welcher ein Brenner vorgeschaltet ist. Dem Brenner wird über eine Dosierpumpe Brennstoff und über das Verbrennungsluftgebläse Verbrennungsluft zugeführt.
Eine gattungsgemäße Heizvorrichtung ist aus der DE 44 47 286 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Fahrzeugheizgerät wird dem Brenner von dem durch einen Elektromotor angetriebenen Verbrennungsluftgebläse Verbrennungsluft zugeführt. In einem Verbrennungsluftkanal ist ein Luftmassenstromsensor ange­ ordnet, der den vom Gebläse geförderten Luftmassenstrom mißt. Ein Massen­ stromausgangssignal oder -meßwert wird einer Steuerung zugeführt, die in Abhängigkeit von diesem Meßwert die Drehzahl des Elektromotors in Echtzeitrege­ lung regelt. Durch diese Echtzeitregelung ist die Drehzahl des Elektromotors eine Funktion des in dem Verbrennungsluftkanal gemessenen Luftmassenstroms.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine vereinfachte Steuerung eines gattungsgemäßen Heizgerätes gestattet sowie eine Vorrichtung zur Steuerung eines Heizgerätes anzugeben, die einfach aufgebaut und betriebssicher ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dadurch, daß eine Steuerung des Verbrennungsluft-Massenstroms erfolgt, wenn ein jeweiliger Meßwert des Verbrennungsluft-Massenstromsensors oberhalb ei­ nes oberen Grenzwertes oder unterhalb eines unteren Grenzwertes des Ver­ brennungsluft-Massenstroms liegt, wird ein Steuer- oder Regelvorgang nur bei Erreichen oder Überschreiten der Grenzwerte ausgeführt, nicht jedoch im Bereich zwischen den Grenzwerten. Dadurch wird der für die Steuerung erforderliche Rufwand verringert. Wird als Brenner ein Zerstäuberbrenner eingesetzt, so kann mit geringem Steueraufwand eine gleichbleibende Zerstäubungsgüte durch den im wesentlichen konstanten Verbrennungsluft-Massenstrom gewährleistet wer­ den.
Durch diese Steuerung bzw. Regelung kann eine optimierte Verbrennung erreicht werden, die Änderungen der relevanten Parameter Luftdruck und Lufttemperatur berücksichtigt, die z. B. bei Fahrten im Gebirge oder als Unterschied zwischen Sommer oder Winter auftreten.
Zweckmäßigerweise wird zur Steuerung des Verbrennungsluft-Massenstroms die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses und insbesondere eines das Gebläse antreibenden Elektromotors erhöht bzw. reduziert.
Die Grenzwerte können in einer Steuereinheit abgespeichert werden, die die Steuerung des Elektromotors ausführt.
Vorteilhafterweise kann ein Meßintervall zwischen dem Erfassen von zwei Meß­ werten des Sensorsignals etwa 0,5 bis 1 sec oder je nach Anwendungsfall auch eine größere Zeitdauer betragen.
Vorzugsweise kann mit dem Verfahren das Fahrzeug-Heizgerät abgeschaltet werden, wenn der Meßwert einen Schutzgrenzwert erreicht bzw. unterschreitet. Dadurch ist eine Motorschutzfunktion bereitgestellt. Zweckmäßigerweise wird das Fahrzeug-Heizgerät abgeschaltet, wenn der Meßwert einen Schutzgrenzwert unterschreitet und gleichzeitig ein Elektro-Gebläsemotor der Verbrennungsluftge­ bläseeinheit mit einer definierten Leistung, insbesondere 100%, arbeitet.
Der Verbrennungsluft-Massenstromsensor kann ein PTC-Element ("positive tem­ perature coefficient" Element) sein, dessen Meßstrom sich bei konstanter Meß­ spannung mit der Temperatur des im Verbrennungsluft-Massenstrom angeord­ neten PTC-Elementes ändert. Da bei PTC-Elementen in bestimmten Tempera­ turbereichen starke Änderungen des Widerstands auftreten, kann bei entspre­ chender Auslegung ein sehr genauer Meßwert erzielt werden.
Der temperaturabhängige Meßwert wird mit dem jeweiligen Grenzwert verglichen, wobei der Meßwert vorzugsweise der Strom ist, der das PTC-Element durch­ strömt und der sich bei konstanter Spannung abhängig von der relativen Tempe­ raturänderung des PTC-Elementes ändert. Der Meßstrom des PTC-Elementes hängt dabei direkt von dem durch das Gebläse geförderten Verbrennungsluft- Massenstrom ab.
Der Schutzgrenzwert entspricht einem Wert, bei dem keine oder nur sehr wenig Luft gefördert wird. Der Strom durch das PTC-Element geht dabei gegen Null. Wird dieser Schutzgrenzwert unterschritten und arbeitet das Gebläse bzw. der Gebläsemotor bereits bei 100% Leistung, kann das Heizgerät abgeschaltet wer­ den.
Eine Kontrolle des PTC-Elementes während des Brennerbetriebs wird unnötig, da bei einem Ausfall des PTC-Elementes der Strom auf Null sinkt, so daß der ge­ nannte Motorblockierschutz anspricht und das Gerät abschaltet.
Zweckmäßigerweise wird eine Verbrennungsluft-Temperatur erfaßt und als Steu­ erparameter für die Steuerung des Verbrennungsluft-Massenstroms verwendet. So kann z. B. eine Temperaturmeßstelle in der Nähe des PTC-Elementes zur Kompensation des Umgebungstemperatureinflusses durch die Steuerung bzw. die Regelung des Verbrennungsluftgebläses vorgesehen sein.
Das Verfahren kann auch derart ausgeführt werden, daß zusätzlich die in den Brenner zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird. Damit kann flexibel auf die jeweiligen Betriebsbedingungen eingegangen werden. Die oben genannten Grenzwerte werden dann dementsprechend angepaßt, um einen optimalen Ver­ brennungsablauf beizubehalten.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß eine Steuereinheit den Verbrennungsluft-Massenstrom steuert, wenn der Meßwert oberhalb eines oberen Grenzwertes oder unterhalb eines unteren Grenzwertes liegt. Zweckmä­ ßigerweise sind der obere und der untere Grenzwert in dieser Steuereinheit ab­ gespeichert. Der Verbrennungsluft-Massenstromsensor ist beispielsweise ein PTC-Element.
Bevorzugt enthält die Vorrichtung eine Schutzeinrichtung, die das Heizgerät ab­ schaltet, wenn ein Meßwert des Verbrennungsluft-Massenstromsensors einen Schutzgrenzwert erreicht.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm, das einen Ablauf der Steuerung der Spannung eines Elektromotors eines Verbrennungsluftgebläse eines Fahrzeugheiz­ geräts darstellt;
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeugheizgerät; und
Fig. 3 in einer Blockdiagramm-Darstellung ein Teil des Fahrzeugheizge­ räts.
Ein Fahrzeugheizgerät 1 enthält ein Gehäuse 2 mit einer darin angeordneten und von einem Ringraum 3 des Gehäuses 2 umgebenen Brennkammer 4. In dem Ringraum 3 sind mit unterbrochenen Linien schematisch dargestellte Strö­ mungsleitrippen 5 angeordnet, durch welche Wasser als Wärmeträger von einem Einlaß 6 des Ringraumes 3 zu einem Auslaß 7 geleitet wird. Angrenzend an die Brennkammer 4 ist ein Brenner 8 angeordnet, dem über eine Pumpe 9 Brennstoff in einer vorgegebenen, festgelegten Menge entsprechend der erforderlichen Brennerleistung zugeführt wird. Mitteis einer Verbrennungsluftgebläseeinheit 11 wird Verbrennungsluft (siehe Pfeil 12) über einen Verbrennungsluftkanal 13 dem Brenner 8 zugeführt. In dem Verbrennungsluftkanal 13 ist ein schematisch ange­ deuteter Massenstromsensor 14 angeordnet. Die Verbrennungsluftgebläseeinheit 11 enthält einen Elektromotor 15 (siehe Fig. 3), der über seine Antriebswelle 16 ein Gebläse 17 antreibt. Im Verbrennungsluftkanal 13 ist ein Temperatursensor 18 zum Erfassen der Temperatur der zuströmenden Verbrennungsluft angeordnet. Ein Abgasstrom verläßt die Brennkammer 4 über einen Abgasauslaß 19. Ei­ ne Steuereinheit 10 erhält ein Sensorsignal von dem Massenstromsensor 14 und von dem Temperatursensor 18 und liefert ein Steuersignal an den Elektromotor 15.
Der Massenstromsensor 14 erfaßt den von dem Gebläse 17 geförderten Ver­ brennungsluft-Massenstrom in Meßtakten oder Meßintervallen, die eine Zeitdauer von Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren Sekunden aufweisen können, und liefert einen entsprechenden Meßwert als Sensorsignal an die Steuereinheit 10, in der ein unterer und ein oberer Grenzwert UG bzw. OG für den Verbren­ nungsluft-Massenstrom gespeichert sind (siehe Fig. 1). Der jeweilige Meßwert wird in der Steuereinheit 10 in den vorgegebenen Meßtakten mit dem unteren und dem oberen Grenzwert UG bzw. OG verglichen.
Wenn der Luftmassenstrom für die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge zu groß ist und folglich der Meßwert bzw. der Verbrennungsluft-Massenstrom größer als der obere Grenzwert OG ist, so wird die Spannung des Elektromotors 15 des Gebläses 17 abgesenkt, wodurch die Drehzahl des Gebläses 17 reduziert und der geförderte Verbrennungsluft-Massenstrom verringert wird. Wenn eine mini­ male Spannung erreicht ist, so wird sie nicht weiter abgesenkt.
Ist der Meßwert bzw. der Verbrennungsluft-Massenstrom kleiner als der untere Grenzwert UG, so wird die Spannung des Elektromotors 15 des Gebläses 17 an­ gehoben, wodurch die Drehzahl des Gebläses 17 erhöht und der geförderte Ver­ brennungsluft-Massenstrom gesteigert wird. Wenn eine maximale Spannung er­ reicht ist, so wird sie nicht weiter erhöht.
In Fig. 1 ist ein Betriebsverhalten des Fahrzeugheizgeräts über die Zeitachse bei­ spielhaft dargestellt, bei dem der Verbrennungsluft-Massenstrom anfangs zwi­ schen dem oberen und dem unteren Grenzwert OG bzw. UG liegt und anschlie­ ßend unter den unteren Grenzwert UG abfällt. Aufgrund des ersten Meßwertes Ma, der unter dem unteren Grenzwert UG liegt, wird von der Steuereinheit 10 die Spannung des Elektromotors 15 um einen festgelegten Wert ΔU erhöht. Die Er­ höhung der Gebläsedrehzahl stoppt ein weiteres Absinken des Verbrennungsluft- Massenstroms. Da der nächste Meßwert Mb weiterhin einen unter dem unteren Grenzwert UG liegenden Verbrennungsluft-Massenstrom erfaßt, wird von der Steuereinheit 10 die Spannung des Elektromotors 15 nochmals um einen festge­ legten Wert ΔU bis auf Umax erhöht, so daß der Elektromotor 15 bzw. das Gebläse 17 mit voller Leistung arbeitet.
Im weiteren Betrieb des Fahrzeugheizgeräts steigt entsprechend den Betriebsbe­ dingungen der Verbrennungsluft-Massenstrom wieder über den unteren Grenz­ wert UG an. Solange weitere um Meßtakte zeitlich versetzte Meßwerte zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert OG bzw. UG liegen, erfolgt keine weite­ re Steuerung, so daß die Spannung auf ihrem maximalen Wert Umax verbleibt.
Im weiteren Betrieb des Fahrzeugheizgeräts steigt entsprechend den Betriebsbe­ dingungen der Verbrennungsluft-Massenstrom über den oberen Grenzwert OG an. Aufgrund des nächsten Meßwertes Mc, der oberhalb des oberen Grenzwertes OG liegt, wird von der Steuereinheit 10 die Spannung des Elektromotors 15 um einen festgelegten Wert ΔU reduziert, so daß damit auch die Gebläsedrehzahl reduziert wird. Da die vier folgenden Meßwerte Md bis Mg weiterhin einen jeweili­ gen über dem oberen Grenzwert OG liegenden Verbrennungsluft-Massenstrom signalisieren, wird die Spannung des Elektromotors 15 jeweils um einen festge­ legten Wert ΔU abgesenkt, bis ein folgender Meßwert Mh ein Unterschreiten des oberen Grenzwertes OG anzeigt und die Steuereinheit 10 folglich die Spannung nicht weiter absenkt.
Aus dieser beispielhaften Darstellung ergibt sich das hysteresische Verhalten der Steuereinheit, die im Gegensatz zu einer aufwendigeren Echtzeitsteuerung ein einfacheres, aber dennoch wirksames Steuerverhalten aufweist. Der obere und der untere Grenzwert OG bzw. UG des Verbrennungsluft-Massenstroms sind in Abhängigkeit der von der Pumpe 9 zugeführten Brennstoffmenge und der maxi­ malen Förderleistung des Gebläses 17 derart festgelegt, daß das Fahrzeugheiz­ gerät innerhalb eines spezifizierten Bereichs zwischen einem Brennstoffüber­ schuß und einem Luftüberschuß gesteuert betrieben wird. Wenn die zugeführte Brennstoffmenge variiert wird, werden der obere und der untere Grenzwert OG bzw. UG entsprechend angepaßt.
Des weiteren ist zum Schutz des Fahrzeugheizgeräts vorgesehen, daß die Steu­ ereinheit 10 das Fahrzeugheizgerät vollständig abschaltet, wenn der Meßwert einen Verbrennungsluft-Massenstrom signalisiert, der unter dem unteren Grenz­ wert UG oder unter einem zusätzlich festgelegten unteren Schutzgrenzwert liegt, d. h. es wird keine oder nur sehr wenig Luft gefördert, und wenn gleichzeitig das Gebläse 17 mit einer Leistung von 100% läuft bzw. der Elektromotor 15 mit der maximalen Spannung betrieben wird.
Der Massenstromsensor 14 ist beispielsweise als ein PTC-Element gebildet. Der an dem PTC-Element vorbeiströmende Verbrennungsluft-Massenstrom erzeugt eine Abkühlung des PTC-Elements, so daß bei konstanter angelegter Spannung durch temperaturbedingte Veränderung des Widerstands des PTC-Elements eine Änderung des Meßstromes des PTC-Elements resultiert, über die der vom Ge­ bläse 17 geförderte Verbrennungsluft-Massenstrom bestimmt werden kann. Der das PTC-Element durchströmende und direkt von der geförderten Luftmasse ab­ hängige Meßstrom wird mit den in der Steuereinheit 10 des Gebläses 17 abge­ legten Grenzwerten in der oben beschriebenen Weise verglichen.
Mittels des Temperatursensors 18, der in der Nähe des Massenstromsensors 14 bzw. des PTC-Elementes angeordnet ist, können den Verbrennungsluft-Massen­ strom beeinflussende Umgebungstemperatureinflüsse durch die Steuereinheit 10 kompensiert werden.
Bezugszeichenliste
1
Fahrzeugheizgerät
2
Gehäuse
3
Ringraum
4
Brennkammer
5
Strömungsleitrippe
6
Einlaß
7
Auslaß
8
Brenner
9
Pumpe
10
Steuereinheit
11
Verbrennungsluftgebläse­ einheit
12
Verbrennungsluft
13
Verbrennungsluftkanal
14
Massenstromsensor
15
Elektromotor
16
Antriebswelle
17
Gebläse
18
Temperatursensor
19
Abgasauslaß

Claims (13)

1. Verfahren zur Steuerung eines einen Brenner aufweisenden Heizgeräts, insbesondere eines Fahrzeug-Heizgeräts, bei dem in Abhängigkeit von ei­ nem einen Meßwert repräsentierenden Sensorsignal eines in einem Ver­ brennungsluftkanal angeordneten Verbrennungsluft-Massenstromsensors der Verbrennungsluft-Massenstrom gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung des Verbrennungsluft-Massenstroms erfolgt, wenn ein jeweiliger Meßwert des Verbrennungsluft-Massenstromsensors (14) ober­ halb eines oberen Grenzwertes oder unterhalb eines unteren Grenzwertes des Verbrennungsluft-Massenstroms liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Verbrennungsluft- Massenstroms die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses (17) erhöht bzw. reduziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte in einer Steuereinheit (10) abgespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßintervall zwischen dem Erfassen von zwei Meßwerten des Sensorsignals etwa 0,5 bis 1 sec beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug-Heizgerät (1) abgeschaltet wird, wenn der Meßwert einen Schutzgrenzwert unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug-Heizgerät (1) abgeschaltet wird, wenn der Meßwert einen Schutzgrenzwert unterschreitet und gleich­ zeitig ein Elektro-Gebläsemotor (15) der Verbrennungsluftgebläseeinheit (11) mit einer definierten Leistung, insbesondere 100%, arbeitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluft-Massenstromsensor (14) ein PTC-Element ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsluft-Temperatur erfaßt und als Steuerparameter für die Steuerung des Verbrennungsluft- Massenstroms verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die in den Brenner zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird.
10. Vorrichtung zur Steuerung eines einen Brenner aufweisenden Heizgeräts, insbesondere eines Fahrzeug-Heizgeräts, bei dem in Abhängigkeit von ei­ nem einen Meßwert repräsentierenden Sensorsignal eines in einem Ver­ brennungsluftkanal angeordneten Verbrennungsluft-Massenstramsensors der Verbrennungsluft-Massenstrom gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (10) den Verbrennungsluft-Massenstrom steuert, wenn der Meßwert oberhalb eines oberen Grenzwertes oder unterhalb ei­ nes unteren Grenzwertes liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und der untere Grenzwert in der Steuereinheit (10) abgespeichert sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsluft-Massenstromsensor (14) ein PTC-Element ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzeinrichtung vorgesehen ist, die das Heizgerät abschaltet, wenn ein Meßwert des Verbrennungsluft- Massenstromsensors (14) einen Schutzgrenzwert erreicht.
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