DE10157310C1

DE10157310C1 - Fahrzeug-Heizgerät mit einer Einrichtung zum Überwachen einer Brennstoffzuführung

Info

Publication number: DE10157310C1
Application number: DE10157310A
Authority: DE
Inventors: Christian Rottler; Andreas Huber
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-11-24

Abstract

Das Fahrzeug-Heizgerät weist eine Brennstoffzuführung (12) zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs zu einer Brenneinrichtung (24), eine Einrichtung (44) zum Überwachen der Brennstoffzuführung (12) und ein Steuergerät zum Steuern des Heizgerätes in Abhängigkeit eines Signals der Einrichtung (44) auf. Um insbesondere die erforderliche Überwachung der Brennstoffzuführung (12) insgesamt kostengünstiger zu gestalten, umfasst die Einrichtung einen Ultraschallsensor (44), welcher an der Brennstoffzuführung (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Heizgerät, insbesondere ein Stand- oder Zu satzheizgerät, mit einer Brennstoffzuführung zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs zu einer Brenneinrichtung, insbesondere einer Brennstoffdüse, einer Einrichtung zum Überwachen der Brennstoffzuführung, und mit einem Steuerge rät zum Steuern des Heizgerätes in Abhängigkeit von Signalen der Einrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem derartigen Heizgerät.

Aus der DE 199 03 767 A1 ist es bekannt, dass ein Heizgerät rauchfrei und ruhi ger betrieben werden kann, indem stromaufwärts von einer Brennstoffdüse ein Gasblasendetektor angeordnet ist, mittels dem Gasblasen bereits innerhalb der Brennstoffzuführung erkannt werden können. Das Heizgerät wird entsprechend "vorausschauend" gesteuert, so dass z. B. eine Zündeinrichtung bereits aktiviert ist, wenn die Gasblase an der Brennstoffdüse austritt. Als Gasblasendetektor wird ein fremdbeheizter Kaltleiter, insbesondere ein PTC-Thermistor, favorisiert.

Als weitere Einrichtung zum Überwachen einer Brennstoffzuführung ist aus der DE 44 47 286 A1 ein Hitzedraht-Anemometer als Massenstromsensor bekannt.

Die genannten Überwachungseinrichtungen liefern nur teilweise jene Information, die eigentlich erforderlich wäre, um ein Heizgerät verbrauchsoptimiert und schadstoffarm betreiben zu können. Der Einsatz solcher Einrichtungen ist daher bezo gen auf ihren Nutzen verhältnismäßig teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug mit einem Heizgerät der art zu verbessern, dass der Brennstoffverbrauch und auch der Schadstoffaustritt verringert sind. Insbesondere soll aber auch die erforderliche Überwachung der Brennstoffzuführung insgesamt kostengünstiger gestaltet sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem eingangs genannten Heizgerät als Einrichtung zum Überwachen der Brennstoffzuführung ein Ultraschallsensor vorgesehen ist, welcher an der Brennstoffzuführung ange ordnet ist. Ferner ist die Aufgabe mit einem Fahrzeug gelöst, in das ein derartiges erfindungsgemäßes Heizgerät eingebaut ist.

Im Gegensatz zu bekannten Überwachungseinrichtungen liefert der erfindungs gemäß vorgesehene Ultraschallsensor sehr umfangreiche und genaue Informati on über die Zusammensetzung von Brennstoff in der Brennstoffzuführung. Mit Hilfe dieser Information kann das Steuergerät des Heizgerätes entsprechend re gelnd eingreifen.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät sind an der Brennstoffzuführung in der Regel keine weiteren Sensoren erforderlich. Das Heizgerät ist daher insgesamt betrachtet kostengünstig herzustellen und verhältnismäßig wartungsarm.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor kann bei verschiedenen Heizgerätety pen flexibel im gesamten Bereich einer Brennstoffleitung angeordnet sein. Alter nativ kann der Ultraschallsensor auch an einer Brennstoffpumpe oder an der Brennstoffdüse der Brenneinrichtung positioniert sein.

Besonders leicht zu montieren ist die erfindungsgemäße Überwachungseinrich tung, wenn der Ultraschallsensor als Modul mit der Brennstoffleitung kombiniert ist. Hohe Messgenauigkeit und eine gute Abschirmung des Ultraschallsensors gegen Umwelteinflüsse lässt sich erreichen, indem der Sensor in die Brenn stoffleitung integriert ist.

Eine für ein Steuergerät eines Heizgerätes wichtige Information ist die tatsächli che Geschwindigkeit von Brennstoff in der Brennstoffleitung. Aus der Geschwin digkeit lässt sich im wesentlichen auf den Massenstrom zurückschließen, weil flüssiger Brennstoff nahezu inkompressibel ist. Der erfindungsgemäße Ultra schallsensor kann bei entsprechender Ausgestaltung die Geschwindigkeit des Brennstoffs mit hoher Genauigkeit ermitteln. Die Ermittlung kann beispielsweise auf der Grundlage des Dopplereffekts basieren.

Zusätzlich oder alternativ kann der Ultraschallsensor den Gasgehalt von Brenn stoff in der Brennstoffleitung ermitteln. Im Gegensatz zu bekannten Gasblasen detektoren lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor auch der Gehalt an gelöstem Gas im Brennstoff ermitteln. So lässt sich auch unterhalb der Supersaturierungsgrenze ermitteln, ob vermehrt Gas mit dem Brennstoff zur Brenneinrichtung gelangt. Diese Ermittlung kann insbesondere interessant sein, wenn der Brennstoff hohe Temperatur oder einen besonders hohen Druck auf weist, wie es z. B. bei Druckzerstäubungsbrennern der Fall ist.

Darüber hinaus kann der Ultraschallsensor dazu eingerichtet sein, dass er den Gehalt an Schwebstoffen oder -teilchen von Brennstoff in der Brennstoffleitung ermittelt. Der Gehalt an Schwebstoffen erlaubt eine Aussage über die Qualität des Brennstoffs und damit über sein Brennverhalten. Neben dem Gehalt an Schwebstoffen können mit einem Ultraschallsensor auch verschiedene Kraftstoff qualitäten und -sorten erkannt werden. So lässt sich beispielsweise ermitteln, wenn dem Heizgerät der falsche Brennstoff zugeführt wird.

Schließlich kann der Ultraschallsensor auch einen Rückschluss auf die Tempe ratur des Brennstoffs in der Brennstoffleitung ermöglichen. Er kann so auch als kalorimetrischer Sensor verwendet werden, um beispielsweise die Temperatur der unmittelbaren Umgebung der Brennstoffzuführung bzw. des Heizgerätes zu ermitteln.

Des weiteren ist es sinnvoll, dass das Steuergerät in Abhängigkeit von Signalen des Ultraschallsensors die Frequenz von Schwankungen ermitteln kann, mit de nen sich physikalische Eigenschaften des Brennstoffs in der Brennstoffleitung ändern. Die Frequenz, also das zeitlich regelmäßige Auftreten von Schwankun gen, ermöglicht Rückschlüsse auf den Förderzustand der Pumpe, damit auch auf den Druck in der Brennstoffleitung und gegebenenfalls auf den Verschmutzungs zustand der Brennstoffdüse. Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor kön nen auch Differenzmessungen vor und nach Beginn der Brennstoffförderung durchgeführt werden. Die ermittelten Schwankungen können mit Schwellenwer ten und/oder Gradientenwerten verglichen und das Heizgerät kann entsprechend gesteuert werden.

Wenn bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführung die genaue Länge einer Brennstoffleitung zwischen der Position des Ultraschallsensors und dem Austritt an der Brenneinrichtung bekannt ist, kann aufgrund der meist ebenfalls bekann ten Fördergeschwindigkeit des Brennstoffs bei bestimmten Betriebszuständen (Volllast oder Teillast) auch der Zeitpunkt vorherbestimmt werden, an dem die detektierte Schwankung einer physikalischen Eigenschaft, beispielsweise auf grund einer Gasblase, sich an der Brenneinrichtung auswirken würde. Das Heiz gerät kann daher "vorausschauend" gesteuert werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es alternativ möglich, das Heizgerät "selbstlernend" auszubilden, wenn die genannte Länge der Brennstoffleitung nicht bekannt ist. Dazu ist das erfindungsgemäße Heizgerät an der Brenneinrichtung mit einem Flammwächter versehen, der mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelt ist. Das Steuergerät ist dabei dazu eingerichtet, dass es aufgrund einer Änderung des Flammenwächter signals die Schwankung auch erkennt, wenn sie sich an der Brenneinrichtung auswirkt. Das Steuergerät ermittelt anschließend die Zeitspanne, die zwischen dem Erkennen der Schwankung am Ultraschallsensor an der Brennstoffzuführung und deren Auswirken an der Brenneinrichtung liegt. Diese Zeitspanne wird ver wendet, um bei einem erneuten Erkennen einer Schwankung im Brennstoff den Zeitpunkt des Auswirkens an der Brenneinrichtung vorherzubestimmen.

Um das Heizgerät vorausschauend zu steuern und rauchfrei sowie geräuscharm zu betreiben, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Steuergerät bei Erkennen einer Schwankung einer physikalischen Eigenschaft von Brennstoff in der Brenn stoffzuführung eine Zündeinrichtung aktivieren, und/oder die Fördermenge eines Brennluftgebläses absenken, und/oder die Fördermenge einer Brennstoffpumpe erhöhen kann. Dies geschieht insbesondere jeweils kurz bevor und/oder während die Schwankung sich an der Brenneinrichtung auswirken würde. Mit dem Erfin dungsgemäßen Ultraschalsensor kann auch die Größe einer Gasblase in der Brennstoffleitung erkannt werden. So kann beispielsweise im Voraus ermittelt werden, ob die durch die Brennstoffzuführung strömende Gasblase die Flamme an der Brenneinrichtung voraussichtlich zum Erlöschen bringen würde. Besteht diese Gefahr, kann entsprechend die Zündeinrichtung ausreichend früh aktiviert werden. Wird hingegen ermittelt, dass die Gasblase voraussichtlich nur das Brennstoff/Brennluft-Verhältnis negativ beeinflussen würde, kann allein die För dermenge eines Brennluftgebläses abgesenkt und/oder die Fördermenge der Brennstoffpumpe erhöht werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeug- Heizgerätes anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Heizgerätes im Bereich der Brennstoffdüse und skizzenhaft die zugehörige Brennstoffzu führung sowie eine Brennluftversorgung.

Das in Fig. 1 teilweise dargestellte Heizgerät ist ein motorunabhängiges Luftheiz gerät mit einem Brenner 10, zu dem mit einer Brennstoffzuführung 12 flüssiger Brennstoff und mit einer Brennluftversorgung 14 Brennluft gefördert wird.

Die Brennstoffzuführung 12 umfasst einen Brennstofftank 16, aus dem der Brennstoff durch eine Saugleitung 18 von einer Brennstoffpumpe 20 angesaugt und anschließend in eine Druckleitung 22 gedrückt wird. Der Brennstoff tritt an einer Brennstoffdüse 24 in einer Brennkammer 26 des Brenners 10 im wesentli chen in Richtung von Pfeilen 28 aus.

Als Brennluftversorgung 14 ist ein Brennluftgebläse 30 vorgesehen, das Brennluft durch einen Brennluftkanal 32 zu der Brennkammer 26 fördert, wo sie als Primär- und Sekundärluft unter anderem durch eine Dralleinrichtung 34 in Richtung der Pfeile 36 eintritt.

Neben der Brennstoffdüse 24 ist eine Zündeinrichtung 38 angeordnet, von der das in der Brennkammer gebildete Gemisch aus Brennstoff und Brennluft ent zündet werden kann. Ferner ist neben der Brennstoffdüse 24 ein Flammenwäch ter 40 angebracht, von dem die Temperatur der entzündeten Flamme ermittelt werden kann.

An der Druckleitung 22 ist unmittelbar stromaufwärts von der Brennstoffdüse 24 ein Ultraschallsensor 44 angeordnet, mit dem der in der Druckleitung 22 strö mende Brennstoff hinsichtlich seiner Brennstoffqualität, seinem Gasgehalt, seiner Strömungsgeschwindigkeit und seiner Temperatur bzw. seinem Druck überwacht werden kann.

Der Ultraschallsensor 44, der Flammenwächter 40, die Zündeinrichtung 38, das Brennluftgebläse 30 und die Brennstoffpumpe 20 sind durch je gestrichelt darge stellte elektrische Leitungen mit einem Steuergerät 46 verbunden, das Signale des Ultraschallsensors 44 und des Flammenwächters 40 verarbeiten und die Ein richtungen 20, 30 und 38 in Abhängigkeit dieser Signal steuern kann.

Beim Betrieb des Heizgerätes wird versucht, das Gemisch aus Brennstoff und Brennluft in einem vorbestimmten Verhältnis zu halten, um eine schadstoffarme und leise Verbrennung zu gewährleisten. In der Brennstoffzuführung 12 können sich jedoch Gasblasen im Brennstoff bilden oder Schwebstoffe ansammeln, die an der Brennstoffdüse 24 austreten und dabei das Brennstoff/Brennluft-Verhältnis negativ beeinflussen.

Um Gasblasen und Schwebstoffe frühzeitig zu erkennen und entsprechend das Heizgerät vorrausschauend gegensteuern zu können, wird bei dem dargestellten Heizgerät mittels des Ultraschallsensors 44 die Dichte des Brennstoffs insgesamt, sowie seine Anteile an gasförmiger, flüssiger und fester Phase dem Steuergerät 46 gemeldet. Ferner wird anhand der strömenden Schwebstoffe bzw. Gasblasen die Strömungsgeschwindigkeit auf der Grundlage des Dopplereffektes ermittelt. Aufgrund der ermittelbaren Kompressibilität des Brennstoffs bei Druckschwan kungen kann auf den zu einem bestimmten Zeitpunkt bestehenden Absolutdruck in der Brennstoffleitung rückgeschlossen werden. In Kombination mit Signalen der Pumpe 20 kann auch auf die Temperatur des Brennstoffs rückgeschlossen werden.

Das Steuergerät 46 ist also beispielsweise dazu eingerichtet, eine Gasblase in der Brennstoffzuführung 12 anhand einer Änderung des Signals des Ultraschall sensors 44 zu detektieren. Das Steuergerät 46 kennt ferner den Betriebsmodus der Pumpe 20, d. h. ob diese bei Volllast oder Teillast betrieben wird, und kann auch davon die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs in der Druckleitung 22 ableiten. Nun kann errechnet werden, wann die detektierte Gasblase an der Brennstoffdüse 24 austreten wird. So kann das Steuergerät 46 entsprechend vorausschauend einer Beeinflussung der Flamme durch die nachfolgend austre tende Gasblase entgegenwirken.

Das Steuergerät 46 kann aufgrund der Stärke der Änderung des Signals des Ul traschallsensors 44 beim Detektieren der Gasblase in der Druckleitung 22 auch ermitteln, wie groß die detektierte Gasblase ist.

Wird nun eine "große" Gasblase detektiert, so besteht die Gefahr, dass diese Gasblase die Flamme zum Erlöschen bringt. Das Steuergerät 46 steuert daher entgegen, indem es die Zündeinrichtung 38 bereits aktiviert und die Fördermenge des Brennluftgebläses 30 reduziert hat, bevor die Gasblase die Brennstoffdüse 24 erreicht.

Bei einer detektierten "kleinen" Gasblase, erhöht das Steuergerät 46 nur die För dermenge der Brennstoffpumpe 20, während die Gasblase austritt, und reduziert eventuell gleichzeitig die Fördermenge des Brennluftgebläses 30.

Die Störung des Brennstoff/Brennluft-Verhältnisses durch die austretende Gas blase kann somit gemildert und Rauchbildung sowie Knallgeräusche können vermieden werden.

Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallsensor 44 in der Saugleitung 18 der Brennstoffpumpe 20 angeordnet.

Bezugszeichenliste

10

Brenner des Fahrzeug-Heizgerätes

12

Brennstoffzuführung

14

Brennluftversorgung

16

Brennstofftank

18

Saugleitung

20

Brennstoffpumpe

22

Druckleitung

24

Brenneinrichtung, insbesondere Brennstoffdüse

26

Brennkammer

28

Pfeile-Austrittsrichtung des Brennstoffs

30

Brennluftgebläse

32

Brennluftkanal

34

Dralleinrichtung

36

Pfeile-Einströmrichtung der Brennluft

38

Zündeinrichtung

40

Flammenwächter

44

Ultraschallsensor

46

Steuergerät

Claims

1. Fahrzeug-Heizgerät, insbesondere Stand- oder Zusatzheizgerät, mit einer Brennstoffzuführung (12) zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs zu ei ner Brenneinrichtung (24), insbesondere einer Brennstoffdüse, einer Ein richtung (44) zum Überwachen der Brennstoffzuführung (12), und mit ei nem Steuergerät (46) zum Steuern des Heizgerätes in Abhängigkeit eines Signals der Einrichtung (44), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Ultraschallsensor (44) umfasst, welcher an der Brennstoffzuführung (12) angeordnet ist.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) nahe einer Brennstoffleitung (16, 18, 20, 22, 24) der Brennstoffzuführung (12) ange ordnet ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) in die Brenn stoffleitung (16, 18, 20, 22, 24) integriert ausgebildet ist und insbesondere in direktem Kontakt mit in der Brennstoffleitung (16, 18, 20, 22, 24) strö mendem Brennstoff steht.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) dazu eingerichtet ist, die Strömungsgeschwindigkeit von Brennstoff in der Brennstoffzufüh rung (12) zu ermitteln.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) dazu eingerichtet ist, den Gasgehalt von Brennstoff in der Brennstoffzuführung (12) zu er mitteln.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) dazu eingerichtet ist, den Gehalt an Schwebestoffen von Brennstoff in der Brennstoffzufüh rung (12) zu ermitteln.

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (44) dazu eingerichtet ist, zugleich als kalorimetrischer Sensor zu wirken.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (46) dazu eingerichtet ist, dass es in Abhängigkeit von Signalen des Ultraschallsensors (44) die Fre quenz von Schwankungen physikalischer Eigenschaften von Brennstoff in der Brennstoffzuführung (12) ermittelt.

9. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (46) dazu eingerichtet ist, dass es in Abhängigkeit von Signalen des Ultraschallsensors (44)
eine Zündeinrichtung (38) aktiviert, und/oder
die Fördermenge eines Brennluftgebläses (30) absenkt, und/oder
die Fördermenge einer Brennstoffpumpe (20) erhöht.

10. Heizgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (46) dazu eingerichtet ist, dass es steuernd einwirkt, kurz bevor und/oder während eine Schwankung einer physikalischen Eigenschaft von Brennstoff in der Brennstoffzuführung (12) sich an der Brenneinrichtung (24) auswirken würde.

11. Fahrzeug mit einem Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10.