DE10140388A1

DE10140388A1 - Heater for mobile applications, has exhaust gas mass flow sensor coupled to controller that regulates burner operation depending on detected exhaust gas and combustion air mass flows

Info

Publication number: DE10140388A1
Application number: DE10140388A
Authority: DE
Inventors: Michael Keppler
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: DE10140388C2

Abstract

The device has a combustion air line (24) to a burner (12), an exhaust gas line (26) from the burner, a burner controller (18) and a combustion air mass flow sensor (20) on the combustion air line and operationally coupled to the controller. An exhaust gas mass flow sensor (22) operationally coupled to the controller detects a second gas mass flow and the controller regulates the burner operation depending on the two detected gas mass flows. Independent claims are also included for the following: a vehicle with a heater and a method of regulating a heater for mobile applications.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät für mobile Anwendungen, mit einer Brennluftleitung zum Zuführen von Brennluft zu einem Brenner, einer Abgasleitung zum Abführen von Abgas vom Brenner, einem Steuergerät zum Steuern des Betriebs des Brenners, und einem an der Brennluftleitung angeordneten und mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelten Brennluftmassenstromsensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem derartigen Heizgerät sowie ein Verfahren zum Regeln eines derartigen Heizgerätes. The invention relates to a heater for mobile applications, with a Combustion air line for supplying combustion air to a burner, an exhaust gas line to Removal of exhaust gas from the burner, a control unit for controlling the operation of the burner, and one arranged on the combustion air line and connected with the Control unit of operationally coupled combustion air mass flow sensor. Furthermore concerns the invention a vehicle with such a heater and a method to control such a heater.

Ein mobiles Heizgerät dieser Art wird als sogenanntes Zusatz-Luftheizgerät oder Zusatz-Wasserheizgerät bei Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenwagen, Nutzfahrzeugen, Bussen oder Schiffen, eingesetzt. Es dient in der Regel zum Beheizen eines Fahrgastraumes oder zum Vorwärmen des Kühlwassers eines Verbrennungsmotors. A mobile heater of this type is called a so-called auxiliary air heater or Additional water heater in vehicles, such as passenger cars, Commercial vehicles, buses or ships. It is usually used for Heating a passenger compartment or preheating the cooling water Combustion engine.

Aus der DE 44 47 286 A1 ist ein derartiges Heizgerät mit einem Brenner bekannt, der von einer Brennstoffdosierpumpe mit Brennstoff und von einem Brennluftgebläse mit Brennluft versorgt wird. Um im Brenner eine optimale Verbrennung zu erreichen, wird eine vorgegebene Brennstoffmenge gefördert und dazu ein passender Soll-Brennluftmassenstrom bestimmt. Der Soll-Brennluftmassenstrom wird mit einem Ist-Brennluftmassenstrom verglichen und die Drehzahl des Brennluftgebläses anschließend so gesteuert, dass der Ist-Wert dem Soll-Wert entspricht. Um den Ist-Brennluftmassenstrom zu ermitteln, ist unter anderem in einer Brennluftleitung ein Brennluftmassenstromsensor, insbesondere ein Hitzdraht- Anemometer, angeordnet. Derartige Massenstromsensoren sind bekannt und werden speziell bei der Regelung von Katalysatoren in Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei dem in der DE 44 47 286 A1 beschriebenen Heizgerät kann zwar das Brennluftgebläse in Abhängigkeit der zugeführten Brennstoffmenge gesteuert werden, eine echte Regelung der Verbrennung ist hingegen nicht möglich, denn es fehlt eine Rückkopplung mittels der die tatsächliche Verbrennungsgüte berücksichtigt wird. DE 44 47 286 A1 discloses such a heater with a burner, that of a fuel metering pump with fuel and one Combustion air blower is supplied with combustion air. To ensure optimal combustion in the burner reach, a predetermined amount of fuel is promoted and a suitable target combustion air mass flow determined. The target combustion air mass flow is compared with an actual combustion air mass flow and the speed of the Combustion air blower then controlled so that the actual value corresponds to the target value. To determine the actual combustion air mass flow, one is in one A combustion air mass flow sensor, in particular a hot wire Anemometer, arranged. Such mass flow sensors are known and are used especially for the regulation of catalysts in exhaust pipes from Internal combustion engines used. In the described in DE 44 47 286 A1 The heater can admit the combustion air fan depending on the supply Controlled amount of fuel is a real regulation of combustion on the other hand not possible because there is no feedback by means of actual combustion quality is taken into account.

Um eine solche Regelung der Verbrennung zu ermöglichen, ist für derartige Heizgeräte ein Konzept bekannt, das die Auswertung der Flammentemperatur im Brenner nutzt. Dieses Konzept weist jedoch prinzipielle hohe Messunsicherheiten auf und hat sich daher bis heute nicht durchgesetzt. Bei stationären Kleinfeuerungen, die mit Gas betrieben werden, ist ein sogenanntes SCOT-Verfahren bekannt, bei dem ein Flammenionisationssignal ausgewertet wird. Dieses Verfahren kann jedoch nicht auf Heizgeräte für mobile Anwendungen angewendet werden, weil diese in der Regel mit flüssigen Brennstoffen betriebenen werden. In order to enable such a regulation of the combustion, is for such Heaters known a concept that the evaluation of the flame temperature in the Brenner uses. However, this concept has high measurement uncertainties on and has therefore not prevailed until today. In stationary Small furnaces that run on gas is a so-called SCOT process known in which a flame ionization signal is evaluated. This method however, cannot be applied to heaters for mobile applications, because they are usually operated with liquid fuels.

Daher ist es bei Heizgeräten für mobile Anwendungen heutzutage üblich, dass diese mit ungeregelter Verbrennung betrieben werden. Wenn die Verbrennung jedoch ungeregelt erfolgt, wird sie durch gerätebedingte Toleranzen (z. B. Förderleistungsschwankungen des Brennluftgebläses und der Brennstoffpumpe) und Veränderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. Fahrtwinddruck, Temperatur oder Luftdruck) beeinflusst. In der Praxis bedeutet dies, dass unter Umständen Toleranzen kostenintensiv zu minimieren und das Heizgerät vor Inbetriebnahme einzustellen ist. Ferner ist dessen Betriebsbereich stark eingeschränkt und ein einzelner Heizgerätetyp kann im allgemeinen nicht in verschiedenen Einbaulagen angeordnet werden. Therefore, it is common today for heaters for mobile applications that these are operated with uncontrolled combustion. If the combustion However, if it is not controlled, it is compensated by device-related tolerances (e.g. Flow fluctuations of the combustion air fan and the fuel pump) and Changes in ambient conditions (e.g. air pressure, temperature or air pressure). In practice, this means that under certain circumstances To minimize tolerances costly and the heater before commissioning is to be set. Furthermore, its operating range is severely restricted and one single heater type can generally not in different installation positions to be ordered.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile überwunden sind und insbesondere eine geregelte Verbrennung möglich ist. The invention has for its object a heater of the aforementioned Art to improve so that the disadvantages mentioned above are overcome and In particular, controlled combustion is possible.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Heizgerät gelöst, bei dem an der Abgasleitung ein mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelter Abgasmassenstromsensor angeordnet ist und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der beiden ermittelten Gasmassenströme von Brennluft und Abgas zu regeln. Die Aufgabe ist ferner mit einem Fahrzeug gelöst, bei dem ein derartiges erfindungsgemäßes Heizgerät eingebaut ist. Schließlich ist die Aufgabe auch mit einem Verfahren gelöst, bei dem der Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der pro Zeiteinheit strömenden Gasmassen von Brennluft und Abgas geregelt wird. This object is achieved with a heater in which the Exhaust line operationally coupled to the control unit Exhaust gas mass flow sensor is arranged and the control device is set up to Operation of the burner as a function of the two gas mass flows determined by Control combustion air and exhaust gas. The task is also solved with a vehicle, in which such a heater according to the invention is installed. Finally is the task also solved with a method in which the operation of the burner depending on the gas masses of combustion air and Exhaust gas is regulated.

Grundgedanke der Erfindung ist, dass sich im Heizgerät die beiden Massenströme von Brennluft und Abgas geringfügig unterscheiden, weil die Gasmasse der Abluft außer der zugeführten Brennluft auch den zugeführten Brennstoff enthält, auch wenn dieser in verbrannter Form vorliegt. Aus dem ermittelten pro Zeiteinheit geförderten Massenstrom Abgas kann durch Vergleich mit dem ermittelten pro Zeiteinheit geförderten Massenstrom Brennluft auf die tatsächlich pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse bzw. -menge rückgeschlossen werden. Zugleich ist die pro Zeiteinheit tatsächlich zugeführte Brennluftmasse bzw. -menge bekannt, so dass die Zusammensetzung des Brennluft/Brennstoffgemisches ermittelt werden kann, die als Rückkopplung über die tatsächliche Güte der Verbrennung dient. Die Verbrennung kann darauf aufbauend ursachen- und bedarfsgerecht geregelt werden. The basic idea of the invention is that the two are in the heater Differentiate mass flows of combustion air and exhaust gas slightly, because the gas mass of the Exhaust air contains not only the supplied combustion air but also the supplied fuel, even if it is burned. From the determined pro Unit of time promoted mass flow exhaust gas can be determined by comparison with the per unit of time conveyed mass flow of combustion air to the actually per Unit of time supplied fuel mass or quantity can be inferred. at the same time is the combustion air mass or quantity actually supplied per unit of time known, so the composition of the combustion air / fuel mixture can be determined as feedback on the actual quality of the Combustion serves. The combustion can be based on this to be regulated as required.

Durch die geregelte Verbrennungsführung können Toleranzen von Bauteilen des Heizgerätes aufgeweitet und damit das Heizgerät insgesamt kostengünstiger hergestellt werden. Aufwendige Einstellprozeduren an Brennluftgebläse, Brennstoffpumpe und Brenner entfallen. The controlled combustion control can tolerances of components of the Heater expanded and thus the heater overall cheaper getting produced. Time-consuming adjustment procedures on combustion air blowers, The fuel pump and burner are eliminated.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Heizgerät an nahezu jeder Stelle und in jeder Lage im Fahrzeug eingebaut werden, weil bisher bestehende, durch die Brennstoffzuführung bedingte Einschränkungen aufgehoben sind. In addition, the heater according to the invention can be used at almost any point and can be installed in any position in the vehicle because of existing ones the fuel supply restrictions are lifted.

Das erfindungsgemäße Heizgerät ist insgesamt unempfindlicher gegen Änderungen der Umgebungsbedingungen, denn diese Änderungen werden durch die erfindungsgemäße Regelung der Verbrennung in einfacher Weise ausgeglichen. So kann insbesondere auf veränderten Fahrtwinddruck, verschiedene Einsatzhöhen mit entsprechenden Luftdruckänderungen und auch auf viskoseren Brennstoff bei tiefen Außentemperaturen reagiert werden. The heater according to the invention is generally less sensitive to Changes in the environmental conditions, because these changes are caused by the Regulation of the combustion compensated in a simple manner. So can change, especially on changed wind pressure Heights with corresponding changes in air pressure and also on more viscous ones Fuel can be reacted to at low outside temperatures.

Ein Vorteil der Erfindung ist ferner, dass zum Regeln des Brenners gleichartige Sensoren, nämlich zwei Gasmassenstromsensoren, verwendet werden. Damit können diese Sensoren in größeren Stückzahlen und damit kostengünstiger eingekauft werden. Zudem können auch für die Auswertung der Sensorsignale gleichartige Systeme verwendet werden. Darüber hinaus gestalten sich die Regelalgorithmen aufgrund der gleichartigen Regelgrößen besonders einfach. Another advantage of the invention is that the burner is controlled in the same way Sensors, namely two gas mass flow sensors, are used. In order to can use these sensors in larger quantities and therefore more cost-effectively be bought. It can also be used to evaluate the sensor signals similar systems are used. In addition, the Control algorithms are particularly simple due to the similar control variables.

Unter Umständen kann bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät auf einen Flammwächter verzichtet werden, womit wiederum erhebliche Kosten eingespart werden. Under certain circumstances, in the heating device according to the invention Flame detectors are dispensed with, which in turn saves considerable costs become.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der Differenz der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln. Zugrunde liegt hier die Erkenntnis, dass die Differenz der Gasmassenströme Abgas und Brennluft eine in der Regel lineare Funktion nur der Heizleistung ist, das heißt, die Differenz ist vom tatsächlichen Brennstoffmassenstrom, nicht aber vom CO₂-Gehalt im Abgas abhängig. Die nachfolgenden berechneten Werte bei einer Laststufe Teillast, d. h. mit konstanter pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmasse (hier Dieselkraftstoff) verdeutlichen dies:

In an advantageous further development of the heating device according to the invention, the control device is set up to regulate the operation of the burner as a function of the difference between the two determined gas mass flows. This is based on the knowledge that the difference between the gas mass flows of exhaust gas and combustion air is generally a linear function of the heating output only, i.e. the difference depends on the actual fuel mass flow, but not on the CO ₂ content in the exhaust gas. The following calculated values at a partial load load level, ie with a constant fuel mass supplied per unit of time (here diesel fuel) illustrate this:

Wird die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse erhöht und der Brenner z. B. bei Volllast betrieben, ergeben sich folgende Werte:

If the fuel mass supplied per unit of time is increased and the burner z. B. operated at full load, the following values result:

Die Differenz der gemessenen und pro Zeiteinheit strömenden Abgasmasse und der Brennluftmasse ist demnach ein Maß für die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse. The difference between the measured and flowing exhaust gas mass per unit of time the combustion air mass is therefore a measure of the supply per unit of time Fuel mass.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit des Quotienten der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln. Diese Art der Regelung basiert auf der Erkenntnis, dass der Quotient der beiden Gasmassenströme Abgas und Brennluft zwar vom tatsächlichen CO₂-Gehalt im Abgas abhängig ist, nicht aber vom Brennstoffmassenstrom. Die nachfolgende Tabelle mit den gegenübergestellten berechneten Werten bei Teillast (TL) und Volllast (VL) verdeutlicht dies:

In another advantageous development of the invention, the control device is set up to regulate the operation of the burner as a function of the quotient of the two determined gas mass flows. This type of control is based on the knowledge that the quotient of the two gas mass flows, exhaust gas and combustion air, is dependent on the actual CO ₂ content in the exhaust gas, but not on the fuel mass flow. The following table with the calculated values at partial load (TL) and full load (VL) shows this:

Der Quotient der Gasmassenströme Abluft und Brennluft ist demnach ein Maß für den CO₂-Gehalt des Abgases und damit für die Qualität der Verbrennung. The quotient of the gas mass flows exhaust air and combustion air is therefore a measure of the CO ₂ content of the exhaust gas and thus of the quality of the combustion.

Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der Differenz und zugleich des Quotienten der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln. The control device is particularly advantageous in the heating device according to the invention set up to operate the burner depending on the difference and to simultaneously regulate the quotient of the two gas mass flows determined.

Dazu können bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät sogenannte miniaturisierte Gasmassenstromsensoren, z. B. auf Pt 1000-Basis verwendet werden. Diese weisen bei individuellem Abgleich (s. u.) eine für die erfindungsgemäße Anwendung ausreichende Genauigkeit auf. Sie zeichnen sich außerdem durch eine geringe elektrische Leistungsaufnahme sowie kurze Ansprechzeit aus und können in großen Stückzahlen sehr kostengünstig produziert werden. For this purpose, so-called miniaturized ones can be used in the heating device according to the invention Gas mass flow sensors, e.g. B. on a Pt 1000 basis. This have an individual comparison (see below) for the application according to the invention sufficient accuracy. They are also characterized by a low electrical power consumption and short response time and can in large quantities can be produced very inexpensively.

Das Steuergerät des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist ferner vorteilhaft dazu eingerichtet, dass es die Gasmassenstromsensoren im Taktbetrieb ansteuert. The control device of the heater according to the invention is also advantageous for this set up that it controls the gas mass flow sensors in cyclical operation.

Das zu regelnde Heizgerät weist im Vergleich zur Aufheizzeit eines Massenstromsensors eine sich nur "langsam" ändernde Verbrennung auf. Es reicht daher aus, wenn die beiden Sensoren vom Steuergerät nur zu bestimmten Takten abgefragt werden, womit die zu verarbeitende Datenmenge erheblich verringert wird. The heater to be controlled has one compared to the heating time Mass flow sensor on a "slowly" changing combustion. It is therefore enough off if the two sensors from the control unit only at certain cycles are queried, which significantly reduces the amount of data to be processed becomes.

Darüber hinaus kann der Aufwand für die Auswertung der Daten der beiden Gasmassenstromsensoren alternativ oder zusätzlich dadurch verringert werden, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, dass es die Gasmassenstromsensoren im Multiplexbetrieb ansteuert. Somit ist für zwei Gasmassenstromsensoren nur eine Auswerteschaltung erforderlich. In addition, the effort involved in evaluating the data from both Alternatively, or additionally, gas mass flow sensors can be reduced, that the control unit is set up so that it Controls gas mass flow sensors in multiplex mode. This is for two gas mass flow sensors only one evaluation circuit required.

Ferner ist das Heizgerät besonders kostengünstig herzustellen, wenn die Gasmassenstromsensoren miniaturisierte Gasmassenstromsensoren mit je einem wärmeempfindlichen Element und einem in Strömungsrichtung der Gasmasse dahinter angeordneten Heizelement sind. Als wärmeempfindliches Element kann ein sogenanntes Pt1000-Element verwendet werden. Das Heizelement wird dabei so gesteuert, dass seine Temperatur um einen vorgegebenen Wert über der vom wärmeempfindlichen Element gemessenen Temperatur liegt. Die dem Heizelement zugeführte Leistung ist dann direkt proportional zum Gasmassenstrom. Furthermore, the heater is particularly inexpensive to manufacture if the Gas mass flow sensors miniaturized gas mass flow sensors with one each heat-sensitive element and one in the flow direction of the gas mass are arranged behind the heating element. Can be used as a heat sensitive element a so-called Pt1000 element can be used. The heating element will controlled in such a way that its temperature is higher than that of the temperature-sensitive element measured temperature. The one The power supplied to the heating element is then directly proportional to the gas mass flow.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist das Steuergerät dazu eingerichtet, mit Hilfe des wärmeempfindlichen Elements des miniaturisierten Gasmassenstromsensors auch die Temperatur der Brennluft bzw. des Abgases zu ermitteln. Anhand der ermittelten Temperaturen kann beispielsweise eine Wirkungsgradverschlechterung eines dem Brenner nachgeschalteten Wärmetauschers oder eine verringerte Brennstoffzufuhr durch Ablagerungen am Wärmetauscher bzw. der Brennstoffzuleitung ermittelt werden. Schließlich können auch Kraftstoffarten, wie beispielsweise Diesel und PME, unterschieden werden, da diese unterschiedliche Heizwerte aufweisen und damit bei gleicher pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmasse zu unterschiedlichen Differenzen zwischen Abgas- und Brennlufttemperatur führen. Unter ansonsten gleichen Bedingungen ist die Temperatur des Volllast-Abgasstroms von PME um ca. 20°C geringer als die des Volllast-Abgasstroms von Diesel. In a further advantageous development of the invention Heater, the control unit is set up with the help of the heat sensitive Element of the miniaturized gas mass flow sensor also the temperature of the Determine combustion air or exhaust gas. Based on the determined temperatures can, for example, deteriorate the efficiency of the burner downstream heat exchanger or a reduced fuel supply Deposits on the heat exchanger or the fuel supply line can be determined. Finally, fuel types such as diesel and PME can are differentiated because they have different calorific values and thus different for the same fuel mass supplied per unit of time Lead differences between exhaust gas and combustion air temperature. Under otherwise same conditions, the temperature of the full load exhaust gas flow from PME is around approx. 20 ° C lower than that of the full-load exhaust gas flow from diesel.

Das erfindungsgemäße Heizgerät ist vorteilhaft auch dahingehend weitergebildet, dass das Steuergerät die beiden Gasmassenstromsensoren während eines Betriebszustandes des Brenners abgleichen kann, bei dem dem Brenner kein Brennstoff zugeführt wird. Dieser Betriebszustand ergibt sich z. B., wenn die Brennkammer des Heizgerätes zu Beginn eines Startablaufes mit Luft gespült wird. Der Einfluss von physikalischen Stoffeigenschaften, wie spezifische Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Brennluft und des Abgases, kann, neben einem Abgleich, auch bei der Auswertung der Messsignale der Gasmassenstromsensoren rechnerisch berücksichtigt werden. The heater according to the invention is advantageously further developed in that that the control unit the two gas mass flow sensors during a Adjust the operating state of the burner, in which the burner does not Fuel is supplied. This operating state results, for. B. if the The combustion chamber of the heater is flushed with air at the start of a start-up process becomes. The influence of physical substance properties, such as specific density, Thermal capacity and thermal conductivity of the combustion air and the exhaust gas, in addition to a comparison, also when evaluating the measurement signals of the Gas mass flow sensors are taken into account arithmetically.

Um die Messgenauigkeit der Gasmassenstromsensoren weiter zu erhöhen, kann der Abgleich bei verschiedenen Leistungsstufen des Heizgerätes durchgeführt werden. Beispielsweise wird dazu während des Abgleichs der beiden Gasmassenstromsensoren ein Gebläse in der Brennluftleitung in unterschiedliche Lastzustände gesteuert. To further increase the measuring accuracy of the gas mass flow sensors, the adjustment is carried out at different power levels of the heater become. For example, during the comparison of the two Gas mass flow sensors a fan in the combustion air line in different Controlled load conditions.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizgerätes anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Below is an embodiment of a heater according to the invention explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings. It shows:

Fig. 1 eine Schemaskizze eines erfindungsgemäßen Heizgerätes, und Fig. 1 is a schematic diagram of a heater according to the invention, and

Fig. 2 ein Diagramm der relativen Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten an einem Pt1000-Element eines miniaturisierten Abgas-Massenstrommessers in Abhängigkeit des CO₂-Gehalts des Abgases. Fig. 2 is a diagram of the relative change of the heat transfer coefficient at a Pt1000 element of a miniaturized exhaust gas mass flow indicator as a function of the CO ₂ content of the exhaust gas.

Das in Fig. 1 dargestellte Heizgerät 10 weist einen Brenner 12 auf, dem im Betrieb von einer Brennstoffpumpe 14 Brennstoff und von einem Gebläse 16 Brennluft zugeführt werden. Mit der Brennstoffpumpe 14 und dem Gebläse 16 ist ein Steuergerät 18 betrieblich gekoppelt, an das ferner zwei Gasmassenstrommesser 20 und 22 angeschlossen sind. Von den Gasmassenstromsensoren 20 und 22 ist der Sensor 20 als Brennluftmassenstromsensor in einer aus der Umgebung Brennluft zum Brenner 12 führenden Brennluftleitung 24 angeordnet, während der Sensor 22 als Abgasmassenstromsensor in einer vom Brenner 12 Abgas in die Umgebung führenden Abgasleitung 26 angebracht ist. Mittels der Gasmassenstromsensoren 20 und 22 werden die in den Leitungen 24 und 26 pro Zeiteinheit tatsächlich strömenden Massen von Brennluft und Abgas ermittelt und in Abhängigkeit dieser Werte die Verbrennung im Brenner 12 geregelt. The heater 10 shown in FIG. 1 has a burner 12 , to which fuel is supplied during operation by a fuel pump 14 and combustion air from a blower 16 . A control unit 18 is operatively coupled to the fuel pump 14 and the blower 16 , to which two gas mass flow meters 20 and 22 are also connected. Of the gas mass flow sensors 20 and 22 , the sensor 20 is arranged as a combustion air mass flow sensor in a combustion air line 24 leading from the combustion air to the burner 12 , while the sensor 22 is mounted as an exhaust gas mass flow sensor in an exhaust line 26 leading from the burner 12 exhaust gas into the surroundings. The gas mass flow sensors 20 and 22 are used to determine the masses of combustion air and exhaust gas that actually flow in the lines 24 and 26 per unit of time, and the combustion in the burner 12 is regulated as a function of these values.

Zu Beginn einer Startphase des Heizgerätes 10 wird zunächst das Gebläse 16 angesteuert, so dass es den Brenner 12 mit Umgebungsluft spült, wobei die Brennstoffpumpe 14 keinen Brennstoff fördert. Während der Startphase werden die Signale der Gasmassenstromsensoren 20 und 22 im Steuergerät 18 eingelesen und aufeinander abgeglichen. At the start of a starting phase of the heater 10 , the fan 16 is first activated so that it flushes the burner 12 with ambient air, the fuel pump 14 not delivering any fuel. During the start phase, the signals from the gas mass flow sensors 20 and 22 are read into the control unit 18 and compared with one another.

Der Brenner 12 wird anschließend gezündet und läuft im Teillast- oder Volllastbetrieb. Das Steuergerät 18 prüft nun im Multiplexbetrieb, d. h. abwechselnd aber unmittelbar hintereinander, die Signale der beiden Gasmassenstromsensor 20 und 22. Das Steuergerät 18 ermittelt aus den Signalen die Differenz und den Quotienten der pro Zeiteinheit in den Leitungen 24 und 26 strömenden Massen von Brennluft bzw. Abgas und bestimmt gemäß der beiden nachfolgender Formeln I bzw. II die pro Zeiteinheit tatsächlich zugeführte Brennstoffmasse und den tatsächlichen CO₂-Gehalt des Abgases:

A) Brennstoffmasse = Funktion von (Abgasmasse - Brennluftmasse);
B) CO₂-Gehalt = Funktion von (Abgasmasse/Brennluftmasse).

The burner 12 is then ignited and runs in part-load or full-load operation. The control unit 18 now checks the signals of the two gas mass flow sensors 20 and 22 in multiplex mode, ie alternately but one after the other. The control unit 18 determines from the signals the difference and the quotient of the masses of combustion air or exhaust gas flowing per unit of time in lines 24 and 26 and determines the fuel mass actually supplied per unit of time and the actual CO _{2 in} accordance with the two formulas I and II below -Exhaust gas content:

A) Fuel mass = function of (exhaust gas mass - combustion air mass);
B) CO ₂ content = function of (exhaust gas mass / combustion air mass).

Auf Basis dieser Ermittlung regelt das Steuergerät die Brennstoffpumpe 14 und das Gebläse 16, um im Brenner 12 eine optimale Verbrennung zu erzielen. On the basis of this determination, the control unit controls the fuel pump 14 and the blower 16 in order to achieve optimal combustion in the burner 12 .

Die am Heizgerät 10 verwendeten Gasmassenstromsensoren 20 und 22 sind sogenannte miniaturisierte Sensoren mit je einem wärmeempfindlichen Element und je einem in Strömungsrichtung der jeweiligen Gasmassen dahinter angeordneten Heizelement. Die elektrische Leistungsaufnahme dieser Sensoren beträgt weniger als 5 Watt. Das wärmeempfindliche Element ist ein Pt1000-Element, das unbeschadet auch Temperaturen von 600°C ausgesetzt werden kann. Das Heizelement wird vom Steuergerät 18 so gesteuert, dass seine Temperatur um ein bestimmtes Delta über der vom Pt1000-Element gemessenen Temperatur liegt. Die dem Heizelement zugeführte Leistung ist dann direkt proportional zum jeweiligen Gasmassenstrom. The gas mass flow sensors 20 and 22 used on the heater 10 are so-called miniaturized sensors, each with a heat-sensitive element and a heating element arranged behind it in the flow direction of the respective gas masses. The electrical power consumption of these sensors is less than 5 watts. The heat-sensitive element is a Pt1000 element, which can also be exposed to temperatures of 600 ° C without damage. The heating element is controlled by the control unit 18 such that its temperature is a certain delta above the temperature measured by the Pt1000 element. The power supplied to the heating element is then directly proportional to the respective gas mass flow.

Beim Abgasmassenstrom wirkt sich die im Abgas enthaltene Menge CO₂ geringfügig auf den Wärmeübergangskoeffizienten am Pt1000-Element und damit auf das Signal dieses miniaturisierten Sensors aus. Die Auswirkung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Sie ist jedoch verhältnismäßig gering und führt bezogen auf einen mittleren CO₂-Gehalt von 10,3% im für Heizgeräte relevanten CO₂ Bereich von 7,0% bis 13,5% nur zu einer relativen Abweichung von maximal plus oder minus 1,5%. Da die Abweichung einer Gesetzmäßigkeit folgt, kann sie bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden. With the exhaust gas mass flow, the amount of CO ₂ contained in the exhaust gas has a minor effect on the heat transfer coefficient at the Pt1000 element and thus on the signal from this miniaturized sensor. The effect is illustrated in Fig. 2. However, it is relatively low and, based on an average CO ₂ content of 10.3% in the CO ₂ range relevant for heating devices of 7.0% to 13.5%, only leads to a relative deviation of at most plus or minus 1.5 %. Since the deviation follows a regularity, it can be taken into account when evaluating the sensor signal.

Das Steuergerät 18 ist ferner dazu eingerichtet, mit Hilfe der Pt1000-Elemente auch die Temperatur der Brennluft bzw. des Abgases zu ermitteln. Anhand dieser Temperaturen kann eine Langzeitdiagnose des Heizgerätes durchgeführt werden, indem z. B. der Wirkungsgrad eines dem Brenner 12 nachgeschalteten, nicht dargestellten Wärmetauschers oder die Brennstoffzufuhr mittels der Brennstoffpumpe 14 überwacht wird. Ändern sich nämlich die absoluten Temperaturen des Abgases relativ zur Brennluft, lässt dies einen Rückschluss auf Ablagerungen im Wärmetauscher oder Veränderungen in der Brennstoffzuführung zu. Schließlich kann das Steuergerät 18 auch erkennen, wenn dem Heizgerät 10 falscher Kraftstoff zugeführt wird, beispielsweise Diesel anstatt PME, denn dies führt bei gleicher pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmasse zu einer Abweichung in der Differenz zwischen Abgas- und Brennlufftemperatur von ca. 20°C. The control unit 18 is also set up to also use the Pt1000 elements to determine the temperature of the combustion air or the exhaust gas. Based on these temperatures, a long-term diagnosis of the heater can be carried out by z. B. the efficiency of a burner 12 downstream heat exchanger, not shown, or the fuel supply by means of the fuel pump 14 is monitored. If the absolute temperatures of the exhaust gas change relative to the combustion air, this allows conclusions to be drawn about deposits in the heat exchanger or changes in the fuel supply. Finally, the control unit 18 can also recognize if the heater 10 is supplied with the wrong fuel, for example diesel instead of PME, because this leads to a deviation in the difference between the exhaust gas and combustion air temperature of approximately 20 ° C. with the same fuel mass supplied per unit of time.

Der Unterschied im Heizwert pro Massen- bzw. pro Volumeneinheit ist bei verschiedenen Kraftstoffen im Vergleich zu ihrer Dichte verhältnismäßig hoch, wie nachfolgende Tabelle zeigt:

The difference in calorific value per unit of mass or per volume is relatively high for different fuels compared to their density, as the following table shows:

Die genannten Vorteile führen zu einer dauerhaft optimal geregelten Verbrennung im Heizgerät, zu Kosteneinsparungen und eröffnen darüber hinaus neue Marktchancen für bestehende Heizgeräte, die den selbständig vorhandenen Mehraufwand für den zweiten Gasmassenstromsensor mehr als ausgleichen können. Bezugszeichenliste 10 Heizgerät
12 Brenner
14 Brennstoffpumpe
16 Gebläse
18 Steuergerät
20 Brennluftmassenstromsensor
22 Abgasmassenstromsensor
24 Brennluftleitung
26 Abgasleitung
The advantages mentioned lead to permanently optimally controlled combustion in the heater, to cost savings and also open up new market opportunities for existing heaters, which can more than compensate for the additional effort for the second gas mass flow sensor. Legend: 10 heater
12 burners
14 fuel pump
16 blowers
18 control unit
20 combustion air mass flow sensor
22 Exhaust gas mass flow sensor
24 combustion air line
26 Exhaust pipe

Claims

1. heater ( 10 ) for mobile applications, with
a combustion air line ( 24 ) for supplying combustion air to a burner ( 12 ),
an exhaust pipe ( 26 ) for discharging exhaust gas from the burner ( 12 ),
a control device ( 18 ) for controlling the operation of the burner ( 12 ), and
a combustion air mass flow sensor ( 20 ) arranged on the combustion air line ( 24 ) and operatively coupled to the control unit ( 18 ),
characterized by
that an exhaust gas mass flow sensor ( 22 ) operatively coupled to the control unit ( 18 ) for determining a second gas mass flow is arranged on the exhaust line ( 26 ), and the control unit ( 18 ) is set up to determine the operation of the burner ( 12 ) as a function of the two Regulate gas mass flows.

2. Heater according to claim 1, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to regulate the operation of the burner ( 12 ) as a function of the difference between the two determined gas mass flows.

3. A heater according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to regulate the operation of the burner ( 12 ) as a function of the quotient of the two gas mass flows determined.

4. Heater according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to control the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in cyclical operation.

5. Heater according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to control the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in multiplex mode.

6. Heater according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) is a miniaturized gas mass flow sensor with a heat-sensitive element, in particular a Pt1000 element, and a heating element.

7. A heater according to claim 6, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to determine the temperature of the combustion air or the exhaust gas with the aid of the heat-sensitive element of the miniaturized gas mass flow sensor.

8. A heater according to claim 7, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to determine the efficiency of a downstream heat exchanger and / or the currently used fuel type from the determined temperatures of combustion air and exhaust gas and the currently specified fuel delivery rate to conclude and initiate any necessary adaptation measures.

9. Heater according to one of claims 1 to 8, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to adjust the two gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) during an operating state of the burner ( 12 ), in which the burner ( 12 ) does not Fuel is supplied.

10. A heater according to claim 9, characterized in that a blower ( 16 ) operatively coupled to the control device ( 18 ) is arranged on the combustion air line ( 24 ) and the control device ( 18 ) is set up to control the blower ( 16 ) during the adjustment to control the two gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in different load states.

11. Vehicle with a heater ( 10 ) according to any one of claims 1 to 10.

12. A method for controlling a heater ( 10 ) for mobile applications, comprising the steps:
Supplying combustion air to a burner ( 12 ),
Removing exhaust gas from the burner ( 12 ), and
Rules of operation of the burner ( 12 ),
characterized in that the operation of the burner ( 12 ) is regulated as a function of the gas masses of combustion air and exhaust gas flowing per unit of time.