DE10109438C2

DE10109438C2 - Heizgerät mit einer Fördereinrichtung, insbesondere Zusatzheizgerät für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE10109438C2
Application number: DE10109438A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ludwig
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: DE10109438A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere ein Zusatzheizgerät für ein Fahrzeug, mit einer Brennstoffpumpe zum Fördern von Brennstoff zu einem Brenner, einer Fördereinrichtung zum Fördern eines Wärmeträgers zu einem Wärmetauscher, und einem Steuergerät das mit der Brennstoffpumpe und der Fördereinrichtung betrieblich gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Ver wendung eines derartigen Heizgeräts in einem Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizgerätes.

Bei Heizgeräten dieser Art wird als Wärmeträger Heizluft eines Fahrgastraumes des Fahrzeuges verwendet, die von einem Heizluftgebläse gefördert wird. Alter nativ kann Kühlwasser eines Verbrennungsmotors Verwendung finden, das von einer Kühlwasserpumpe gefördert wird. Im ersten Fall handelt es sich um ein so genanntes Luftheizgerät, im zweiten Fall um ein Wasserheizgerät.

Der Wärmeträger nimmt die durch das Brenngas an die Wandung des Wärme tauschers abgegebene Wärmeenergie auf und führt sie beispielsweise dem Fahrgastraum zu. Wenn ein Fahrgast nun die Fahrgastraumheizung verschließt, um deren Heizleistung zu begrenzen, wird die Wärmeträgeraustrittsöffnung des Heizgerätes verdämmt und der Wärmeträger kann die Wärmeenergie des Brenn gases nicht mehr abführen. Die Temperatur der Wandung des Wärmetauschers steigt rasch an, wodurch die Wandung erweichen und leck werden kann. Die Trennung zwischen Brenngas und Wärmeträger ist dann nicht mehr gewährlei stet, so daß beispielsweise bei Luftheizgeräten Abgas in den Fahrgastraum ge langen kann.

Damit eine solche, überaus gefährliche Vermischung von Brenngas und Wärme träger sicher verhindert ist, wird seit langem versucht, im Fall einer wärmeträger seitigen Verdämmung des Heizgerätes eine Überhitzungsgefahr der Wandung des Wärmetauschers rechtzeitig und zuverlässig zu erkennen, um anschließend das Heizgerät abzuregeln.

Aus DE 35 17 954 A1 ist ein gattungsgemäßes Fahrzeugzusatzheizgerät mit ei nem Wärmetauscher bekannt, durch den ein Wärmeträger strömt. Damit das Heizgerät unter anderem besser gegen Überhitzung geschützt ist, ist am Eintritt und am Austritt des Wärmetauschers je einer von zwei Temperaturfühlern ange ordnet, die zur Überwachung des Betriebszustandes des Heizgerätes zusam mengeschaltet sind. Die Anordnung zweier Temperaturfühler ist jedoch kosten- und wartungsintensiv.

Aus DE 43 11 080 C1 ist ein motorunabhängiges Fahrzeugheizgerät bekannt, bei dem neben einem Flammwächter nur ein Temperaturfühler als Schutzeinrichtung gegen Überhitzung verwendet wird. Der Temperaturfühler liegt an der Wandung des Wärmetauschers an.

Aus DE 44 33 210 A1 ist ein Fahrzeugzusatzheizgerät mit einem Wärmetauscher bekannt, bei dem ein Temperaturfühler derart zwischen einer Brennkammer und einer Wärmeträgeraustrittsöffnung angebracht ist, daß er zugleich als Überhit zungsschutz und als Flammwächter dient. Als Wärmeträger wird auch dort Heiz luft oder Wasser verwendet.

Temperaturfühler für derartige Anwendungen weisen in der Regel einen in Ab hängigkeit der Temperatur veränderlichen Widerstand, beispielsweise mit PTC- Charakteristik, auf. Nachteilig ist, daß diese Art Abschaltung mit einem PTC- Temperaturfühler verhältnismäßig langsam ist und erst bei einer Temperatur oberhalb der Vollasttemperatur der Wandung erfolgen kann. Üblich ist beispiels weise eine Vollasttemperatur von 220°C, während die Abregeltemperatur 250°C ist. Die Wandung ist daher unter Umständen stark hitzebelastet, so daß sie eine dicke Wandstärke aufweisen muß und weitere aufwendige konstruktive Maßnah men erforderlich sind. Ferner wird zum Erreichen der Abregeltemperatur zusätz lich Brennstoff verbraucht, so daß sich der Wirkungsgrad des Heizgerätes ver schlechtert.

Aus DE 198 02 906 A1 ist ein brennstoffbetriebenes Luftheizgerät für Kraftfahr zeuge mit einem Brenner und einem Wärmetauscher bekannt, durch den mit ei nem Gebläse Heizluft als Wärmeträger gefördert wird. Am Brenner sind ein Flammwächter und ein Überhitzungssensor angeordnet. Der Überhitzungssensor ist als nicht gekapselter Heizluft-Temperaturfühler gestaltet, d. h. er ist wandbe rührungsfrei im Heizluftstrom, insbesondere im gebläsenahen Bereich des Wär metauschers, angeordnet. Die Messung der Temperatur der Heizluft ist unter Umständen zu träge, um ein Überhitzen der Wandung des Wärmetauschers si cher auszuschließen. Dies ist der Fall, weil die Temperatur der Heizluft bei einem Verdämmen der Heizluftförderung unmittelbar an der Wandung sehr rasch an steigt, während sie sich weiter entfernt von der Wandung, z. B. am Ort des Heiz luft-Temperaturfühlers, langsamer erhitzt.

Auf dem Gebiet der Fahrzeugheizgeräte ist ferner aus DE 44 47 286 A1 ein Heizgerät mit einem Brenner bekannt, der von einer Brennstoffpumpe und einem Brennluftgebläse versorgt wird. Um immer eine optimale Verbrennung im Brenner zu erreichen, wird die Drehzahl des Brennluftgebläses in Abhängigkeit der geför derten Brennstoffmenge geregelt. Dazu wird der Soll-Brennluftmassenstrom be stimmt, der Ist-Brennluftmassenstrom mit einem Massenstrommesser gemessen und das Brennluftgebläse entsprechend nachgeregelt.

Aus DE 197 52 839 A1 ist es bekannt, dieses Prinzip der Brennersteuerung um zukehren und die Brennstoffmenge in Abhängigkeit des Brennluftmassenstroms zu regeln. Dabei wird die elektromagnetische Kraft des Brennluftgebläses erfaßt und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt, damit das Brennluftgebläse mit konstanter Drehzahl läuft. Weicht die Drehzahl dennoch ab, so wird die Brenn stoffpumpe so gesteuert, daß das Brennstoff/Brennluft-Verhältnis konstant bleibt.

Zugrundeliegende Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die oben genannten Nachteile überwunden sind und insbesondere die Gefahr des Überhitzens des Heizgerätes bei einem Verdäm men der Wärmeträgerförderung zuverlässiger erkannt wird.

Erfindungsgemäße Lösung

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Steuergerät des Heizgerätes dazu eingerichtet ist, die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung des Wärmeträgers zu ermitteln und die Brennstoffpumpe in Abhängigkeit der ermit telten Ist-Drehzahl zu steuern. Erfindungsgemäß kann ein derart gestaltetes Heizgerät als Zusatzheizgerät in einem Fahrzeug verwendet werden.

Die Aufgabe ist ferner mit einem Verfahren zum Steuern eines Heizgerätes, ins besondere eines Zusatzheizgerätes für ein Fahrzeug gelöst, bei dem eine Brenn stoffpumpe zum Fördern von Brennstoff zu einem Brenner, und eine Förderein richtung zum Fördern eines Wärmeträgers zu einem Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: Ermitteln der Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung, Vergleichen der Ist-Drehzahl mit einer hinterlegten Soll- Drehzahl, Abregeln oder Abschalten der Brennstoffpumpe, wenn eine Differenz zwischen der Ist-Drehzahl und der Soll-Drehzahl besteht, die auf eine Gefahr des Überhitzens des Wärmetauschers hinweist.

Wesen der Erfindung ist, daß zum Erfassen einer Überhitzungsgefahr des Wär metauschers nicht bzw. nicht nur Temperaturen erfaßt werden, wie es beim Stand der Technik mit der Messung der Temperatur der Wandung des Wärme tauschers oder der Heizluft als Wärmeträger der Fall ist, sondern daß eine andere physikalische Größe, nämlich die Drehzahl der Fördereinrichtung zum Fördern des Wärmeträgers verwendet wird. Erfindungsgemäß wird wärmeträgerseitig ge prüft, es wird die Förderung des Wärmeträgers untersucht, d. h. die Förderung des Kühlwassers oder der Heizluft.

Bei Verdämmung des Wärmeträgereintritts oder des Wärmeträgeraustritts kann die Fördereinrichtung den Wärmeträger nicht mehr in ausreichend großer Menge durch den Wärmetauscher fördern, so daß die Fördermenge Null oder nahezu Null wird. Diese verringerte Fördermenge führt zu einer Erhöhung der Drehzahl der Fördereinrichtung. Die erhöhte Drehzahl wird erfindungsgemäß erfaßt und damit die Gefahr einer Überhitzung des Heizgerätes erkannt. Die Erhöhung der Drehzahl tritt unmittelbar beim Verdämmen auf, so daß die Überhitzungsgefahr ohne Zeitversatz erkannt wird. Das erfindungsgemäße Heizgerät kann daher be sonders schnell abgeregelt oder abgeschaltet werden.

Ein Vorteil der Erfindung ist ferner, daß die Wandung des Wärmetauschers nicht über die Vollasttemperatur hinaus erhitzt werden muß. Die Gefahr einer Schädi gung der Wandung oder anderer Bauteile des Heizgerätes ist deshalb behoben und ein zusätzlicher Brennstoffverbrauch vermieden.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät wird darüber hinaus auch ein Ausfall der Fördereinrichtung für den Wärmeträger sofort und zuverlässig erkannt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Fördereinrichtung von einem Elektromotor angetrieben und das Steuergerät ermittelt die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung anhand der elektromotorischen Kraft des Elektromotors.

Eine Drehzahlabweichung der Fördereinrichtung kann besonders präzise ermittelt werden, indem bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes an der Fördereinrichtung eine Drehzahlmeßeinrichtung vorgesehen ist, mittels der das Steuergerät die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung ermittelt.

Als Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die ermittelte Ist-Drehzahl mit einer Soll-Drehzahl zu ver gleichen und die Brennstoffpumpe in Abhängigkeit dieses Vergleiches zu steuern, insbesondere abzuregeln oder abzuschalten. Die vorgeschlagene Regelung ba siert allein auf einem Ist-Soll-Vergleich und kann daher von der in herkömmlichen Heizgeräten vorhandenen Steuerung ausgeführt werden.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Überhitzungsschutzes ist nahezu ohne Zu satzaufwand erweitert, indem das Steuergerät einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in dem für die Soll-Drehzahl mindestens ein Toleranzbereich hinterlegt ist, der einem Lastzustand des Heizgerätes, insbesondere einer Vollast oder min destens einer Teillast des Heizgerätes, zugeordnet ist. Solange die gemessene Drehzahl und damit die Förderleistung der Fördereinrichtung unterhalb der obe ren Grenze des Toleranzbereichs liegt, ist eine ausreichende Strömung von Wärmeträgermasse durch den Wärmetauscher sichergestellt. Der Wärmetau scher ist, wie erläutert, vor Überhitzen geschützt. Die untere Grenze des Tole ranzbereiches stellt sicher, daß die Förderleistung nicht übermäßig groß ist. Dies könnte der Fall sein, wenn die Regelung der Fördereinrichtung oder des Brenners des Heizgerätes defekt ist oder die Lastzustände von Brenner und Förderein richtung schlecht aufeinander abgestimmt sind. Wenn während einer bestimmten Zeiteinheit bezogen auf den Lastzustand des Brenners zuviel Wärmeträgermen ge durch den Wärmeträger gefördert wird, kann sich der Wärmeträger im Wär metauscher nicht im erforderlichen Ausmaß erwärmen und erbringt daher nicht die erwünschte Heizleistung im Fahrgastraum.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizgerätes anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Luftheizgerät, und

Fig. 2 ein Diagramm das den Verlauf der Drehzahl über der Heizleistung darstellt.

Das in Fig. 1 dargestellte Heizgerät 1 ist als Luftheizgerät für ein Fahrzeug ge staltet. Als Wärmeträger wird Luft verwendet, die aus der Umgebung des Fahr zeugs oder dem Fahrgastraum angesaugt und nach dem Erwärmen dem Fahrga straum zugeführt wird.

Ein rohrförmiges Gehäuse 2 weist an seiner linken Stirnseite eine Heizluftein trittsöffnung 3 und an seiner entgegengesetzten, rechten Stirnseite eine Heizluf taustrittsöffnung 4 auf. Das Gehäuse 2 bildet einen Heizluftkanal 5, in dessen Mittelbereich auf einer Längsachse 6 aufeinanderfolgend die wesentlichen Bau teile des Heizgerätes 1 zum Fördern und Erwärmen der Heizluft angeordnet sind:
Nahe der Heizlufteintrittsöffnung 3 befindet sich ein Heizluftgebläse 7, das von einem daneben angeordneten Elektromotor 8 angetrieben wird. Der Elektromotor 8 treibt ferner ein Brennluftgebläse 9, das sich neben ihm, etwa im Zentrum des Heizgerätes befindet. Das Brennluftgebläse 9 saugt durch eine Brennluftleitung 10, die das Gehäuse 2 radial durchsetzt, Brennluft an und fördert sie zu einem daneben angeordneten Brenner 11. Dem Brenner 11 wird ferner durch eine Brennstoffleitung 12 flüssiger Brennstoff zugeführt, der im Brenner 11 verdampft und sich mit der Brennluft vermischt. Das Gemisch verbrennt in einer Brennkam mer 13, die von einem Wärmetauscher 14 umgeben ist. Das entstehende Abgas gelangt durch eine Abgasleitung 15 radial aus dem Gehäuse 2. Beim Verbrennen gibt das Gemisch Wärmeenergie an eine Wandung 16 des Wärmetauschers 14 ab, die die Brennkammer 13 vom oben genannten Heizluftkanal 5 trennt. Die durch den Heizluftkanal 5 geförderte Heizluft wird ihrerseits von der Wandung 16 erwärmt.

Im Heizgerät 1 ist ferner im Bereich des Elektromotors 8 ein Steuergerät 17 an gebracht, das über im einzelnen nicht dargestellte Leitungen den Elektromotor 8 und eine außerhalb des Gehäuses 2 angeordnete Brennstoffpumpe 18 ansteuert.

Bei herkömmlichen Heizgeräten ist als Schutzeinrichtung gegen Überhitzen des Wärmetauschers 14 an der Wandung 16 ein Temperaturfühler angebracht.

Das dargestellte Heizgerät 1 weist hingegen zum Schutz vor Überhitzen bei einer Verdämmung der Heizluftaustrittsöffnung eine Drehzahlmeßeinrichtung 19 auf, die zwischen Steuergerät 17 und einem Heizluftläufer 20 angeordnet ist. Am Heizluftläufer 20 ist an einer dem Steuergerät zugewandten Stirnseite ein Resol verrad 21 befestigt, das mit einem Drehzahlsensor, einem sogenannten Hall- Sensor 22 am Steuergerät 17 zusammenwirkt. Die Drehzahlmeßeinrichtung 19 ermittelt die Drehzahl des Heizluftgebläses 7. Alternativ oder zusätzlich kann die elektromotorische Kraft des Elektromotors 8 ermittelt werden.

Anhand der von der Drehzahlmeßeinrichtung 19 ermittelten Drehzahl wird eine Verdämmung des Heizluftkanals 5 erkannt, indem der gemessene Drehzahlwert mit einem im Steuergerät 17 hinterlegten Soll-Drehzahlwert verglichen wird. Fig. 2 veranschaulicht diesen Vergleich: Allgemein steigt die Drehzahl des Heizluftge bläses 7 mit zunehmender Heizleistung des Heizgerätes 1 bzw. des Brenners 11 an.

Die durchgezogene Linie a zeigt den Drehzahlverlauf des freiblasenden Heizluft gebläses 7. Nimmt der Luftwiderstand im Heizluftkanal 5 zu, so erhöht sich die Drehzahl des Heizluftgebläses 7 auf die mit der gestrichelten Linie b dargestellten Werte. Bei kompletter Verdämmung des Heizluftkanals 5 ist die Drehzahl des Heizluftgebläses 7 schließlich bis auf die mit der gepunkteten Linie c dargestellten Werte angestiegen.

Die maximal mögliche Drehzahl des Heizluftgebläses 7 ergibt sich bei maximaler Heizleistung des Heizgerätes 1. Dieser Zustand ist mit der senkrechten Linie d am rechten Ende des in Fig. 2 dargestellten Diagramms veranschaulicht.

Eine Verdämmung des Heizluftkanals 5 wird nun erkannt, indem ein Drehzahllimit voreingestellt wird, welches in Fig. 2 mit der waagrechten Strichpunktlinie e dar gestellt ist. Sobald die Drehzahl des Heizluftgebläses 7 dieses Drehzahllimit übersteigt, wird dies vom Steuergerät 17 erkannt und der Brenner 11 entspre chend abgeregelt oder abgeschaltet. Dies zeigt Punkt f in Fig. 2.

Bezugszeichenliste

1

Heizgerät

2

Gehäuse

3

Heizlufteintrittsöffnung

4

Heizluftaustrittsöffnung

5

Heizluftkanal

6

Längsachse

7

Heizluftgebläse

8

Elektromotor

9

Brennluftgebläse

10

Brennluftleitung

11

Brenner

12

Brennstoffleitung

13

Brennkammer

14

Wärmetauscher

15

Abgasleitung

16

Wandung des Wärmetauschers

17

Steuergerät

18

Brennstoffpumpe

19

Drehzahlmeßeinrichtung

20

Heizluftläufer

21

Resolverrad

22

Drehzahlsensor

Claims

1. Heizgerät, insbesondere ein Zusatzheizgerät (1) für ein Fahrzeug, mit
einer Brennstoffpumpe (18) zum Fördern von Brennstoff zu einem Brenner (11),
einer Fördereinrichtung (7) zum Fördern eines Wärmeträgers zu einem Wärmetauscher (14), und
einem Steuergerät (17) das mit der Brennstoffpumpe (18) und der För dereinrichtung (7) betrieblich gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (17) dazu eingerichtet ist, die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung (7) zu ermitteln und die Brennstoff pumpe (18) in Abhängigkeit der ermittelten Ist-Drehzahl zu steuern.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderein richtung (7) von einem Elektromotor (8) angetrieben ist, und das Steuerge rät (17) die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung (7) mittels einer Messung der elektromotorischen Kraft des Elektromotors (8) ermittelt.

3. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der För dereinrichtung (7) eine Drehzahlmeßeinrichtung (19, 21, 22) vorgesehen ist, mittels der das Steuergerät (17) die Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung (7) ermittelt.

4. Heizgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (17) dazu eingerichtet ist, die erfaßte Ist-Drehzahl mit einer Soll-Drehzahl zu vergleichen und die Brennstoffpumpe (18) in Abhängig keit dieses Vergleiches zu steuern, insbesondere abzuregeln oder abzu schalten.

5. Heizgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (17) einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in dem für die Soll-Drehzahl mindestens ein Toleranzbereich hinterlegt ist, der einem Lastzustand des Heizgerätes, insbesondere einer Vollast oder mindestens einer Teillast des Heizgerätes (1), zugeordnet ist.

6. Verwendung eines Heizgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Zu satzheizgerät in einem Fahrzeug.

7. Verfahren zum Steuern eines Heizgerätes, insbesondere eines Zusatz heizgerätes (1) für ein Fahrzeug, mit
einer Brennstoffpumpe (18) zum Fördern von Brennstoff zu einem Brenner (11),
einer Fördereinrichtung (7) zum Fördern eines Wärmeträgers zu einem Wärmetauscher (14),
gekennzeichnet durch die Schritte:

- Ermitteln der Ist-Drehzahl der Fördereinrichtung (7),
- Vergleichen der Ist-Drehzahl mit einer hinterlegten Soll-Drehzahl,
- Abregeln oder Abschalten der Brennstoffpumpe (18), wenn eine Diffe renz zwischen der Ist-Drehzahl und der Soll-Drehzahl besteht, die auf eine Gefahr des Überhitztes des Wärmetauschers hinweist.