Die
gattungsgemäßen Heizgeräte werden beispielsweise
in Form von Zusatz- und/oder Standheizgeräten auf dem Kraftfahrzeugsektor
eingesetzt. Zusatzheizungen dienen in erster Linie dazu, das insbesondere
bei verbrauchsoptimierten Fahrzeugen auftretende Wärmedefizit
während
der Fahrt auszugleichen, während
Standheizgeräte
dazu vorgesehen sind, den Kühlwasser-
beziehungsweise Heizkreislauf bereits vor Fahrtbeginn zu erwärmen.
Sowohl
das Abgasverhalten als auch der Wirkungsgrad der in den Heizgeräten durchgeführten Verbrennungsprozesse
hängt insbesondere
von dem zugeführten
Brennstoffmassenstrom und dem zugeführten Brennluftmassenstrom
ab.
Aufgrund
von zunehmend strenger werdenden Abgasnormen ist es erforderlich,
den CO2-Ausstoß der Heizgeräten zu verringern.
Im
Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeugsektor besteht ein weiteres Problem
darin, dass die Heizgeräte
in großen
Höhen von
beispielsweise mehr als 1500 m N.N. nicht befriedigend arbeiten und/oder überdurchschnittlich
schnell verschleißen, weil
aufgrund der mit der Höhe
abnehmenden Luftdichte bei vielen bekannten Heizgeräten kein
ausreichender Brennluftmassenstrom erzeugt werden kann.
Zur
Lösung
dieses Problems ist es aus der gattungsgemäßen
DE 101 44 404 C2 bereits
bekannt, die aktuelle Luftdichte zu bestimmen und diese bei einer
Steuerung des Verbrennungsvorganges zu berücksichtigen. Die Bestimmung
der Luftdichte erfolgt gemäß der Lehre
dieser Druckschrift beispielsweise durch die Erfassung der Lastbedingungen
an dem Gebläse,
das die für
den Verbrennungsprozess erforderliche Luft zuführt. Dabei können die Lastbedingungen
erfasst werden, indem entweder die vom Gebläsemotor aufgenommene Leistung oder
die Drehzahl konstant gehalten und die jeweils andere Größe messtechnisch
ermittelt wird.
Mit
dieser Lösung
gelingt es bereits, die eingangs erläuterten Probleme zu lindern.
Die Berechnung der aktuellen Luftdichte ist jedoch mit einem hohen
Aufwand verbunden. Weiterhin kann der CO2-Ausstoß durch
die Beeinflussung des Verbrennungsprozesses über eine Steuerung in vielen
Fällen nicht
weit genug gesenkt werden, um strenge Abgasvorschriften zu erfüllen.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Heizgeräte und die gattungsgemäßen Verfahren
so weiterzubilden, dass der Verbrennungsprozess mit niedrigem Hard- und/oder
Softwareaufwand derart verbessert wird, dass strenge Abgasvorschriften
eingehalten werden können
und ein Betrieb der Heizgeräte
auch in großen
Höhen problemlos
möglich
ist.
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das
erfindungsgemäße Heizgerät baut auf dem
gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt
berücksichtigt
wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen
Gebläse
aufgenommene Leistung durch eine Regeleinrichtung einem Sollwert
nachgeführt
wird. Da die von dem Gebläse
des Heizgerätes
aufgenommene Leistung mit dem durch das Gebläse geförderten Brennluftmassenstrom
korreliert ist, wird durch eine echte Regelung der Leistung des
Gebläses
indirekt auch der durch das Gebläse
geförderte
Brennluftmassenstrom und somit indirekt auch der CO2-Ausstoß geregelt. Durch
einen derar tigen Einsatz einer Regelung anstelle einer beim Stand
der Technik eingesetzten Steuerung lassen sich deutliche bessere
Abgaswerte erzielen und ein Betrieb der Heizgeräte ist auch in großen Höhen problemlos
möglich.
Weiterhin ist die Regelung der vom Gebläsemotor aufgenommenen Leistung
mit sehr viel geringerem Aufwand möglich als beispielsweise eine
direkte Regelung des CO2-Ausstoßes.
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Heizgerätes kann
vorgesehen sein, dass der Sollwert variabel ist. Damit kann der Sollwert,
d.h. die vom Brennluftgebläse
aufgenommene Leistung und damit auch die pro Zeiteinheit durch das
Gebläse
geförderte
Luftmasse auf einen Wert eingestellt werden, der beispielsweise
mit dem momentanen Brennstoffmassenstrom hinsichtlich der Abgaswerte
harmoniert und so für
eine Verbrennung mit verbessertem Abgasverhalten sorgt.
Insbesondere
kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Sollwert von
der Betriebsart des Heizgerätes
abhängt.
Beispielsweise kann der Benutzer des Heizgerätes den Sollwert indirekt beeinflussen,
indem er die von ihm im Fahrgastraum gewünschte Solltemperatur vorgibt.
Des
Weiteren kann eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Heizgerätes dadurch
gekennzeichnet sein, dass der Sollwert von in dem Heizgerät verbauten
und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt. Diese
Komponenten können
insbesondere für
verschiedene Fahrzeugtypen variieren, beispielsweise aufgrund von
unterschiedlichen Einbaulagen.
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist
vorgesehen, dass die von dem Gebläse aufgenommene Leistung P über den
Zusammenhang P = M·ωermittelt wird, wobei
- M
- das am Gebläsemotor
anliegende Drehmoment M und
- ω
- die Winkelgeschwindigkeit
des Gebläsemotors ist.
Um
die vom Gebläse
aufgenommene Leistung P an den Sollwert anzupassen, wird bei einem bestimmten
gegebenen Moment M eine geeignete Winkelgeschwindigkeit ω beziehungsweise
Drehzahl n eingestellt, wobei für
die Winkelgeschwindigkeit ω und
die Drehzahl pro Minute n gilt : ω=2πf=2πn/60 . Ändert sich nun das am Gebläse anliegende
Drehmoment M beispielsweise durch eine sich ändernde Luftdichte, wird die
Drehzahl n in Abhängigkeit
vom Drehmoment M so eingestellt, dass die vom Brennluftgebläse aufgenommene
Leistung P wieder dem Sollwert entspricht.
Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass das Drehmoment M des Gebläses über den
Zusammenhang M = k1·Iermittelt
wird, wobei
- I
- der elektrische Strom
I des Gebläsemotors
und
- k1
- eine geeignete Konstante
ist.
Die
direkte Proportionalität
zwischen Drehmoment M und dem vom Gebläsemotor aufgenommenen elektrischen
Strom I ermöglicht
eine einfache Bestimmung des Drehmoments M des Brennluftgebläses. Folglich
kann über
den durch den Gebläsemotor
fließenden
elektrischen Strom I und die Drehzahl n des Gebläsemotors auf die vom Gebläse aufgenommene
Istleistung geschlossen werden.
Dabei
ist es insbesondere vorteilhaft, dass der Gebläsemotor ein Gleichstrommotor
ist. In diesem Fall kann in einfacher Weise auf das Bordnetz des
Kraftfahrzeugs zurückgegriffen
werden, um den Gebläsemotor
zu betreiben.
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Heizgeräts ist vorgesehen,
dass die Leistung des Gebläsemotors
durch eine Pulsweitenmodulation beeinflusst wird. Dabei wird beispielsweise
bei einem permanenterregten Gleichstrommotor die am Motor anliegende
Bordnetzspannung mittels der Pulsweitenmodulation auf eine niedrigere
effektive Arbeitsspannung moduliert. Durch Variation der Pulsweite
lässt sich
somit die Leistung des Gebläsemotors
beeinflussen. Bei einem EC-Motor kann den Phasen der Kommutierungsblöcke eine
Pulsweitenmodulation überlagert
und so das am Motor anliegende Drehmoment verändert werden.
Insbesondere
kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit
den Regler der Regelung bildet. Die Regelung der vom Gebläse aufgenommenen
Leistung mittels Pulsweitenmodulation stellt eine vergleichsweise
einfache aber äußerst effektive
Lösung
dar.
Das
erfindungsgemäße Heizgerät ist in
besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Winkelgeschwindigkeit
und/oder der Strom des Gebläsemotors
durch geeignete Sensoren erfasst werden. Mit Hilfe geeigneter Winkelgeschwindigkeits-
beziehungsweise Stromsensoren und entsprechenden Auswerteeinrichtungen
können
die für die
Regelung benötigten
Messgrößen schnell
und sicher ermittelt werden, so dass eine geeignete Rückkopplungsschleife
für den
Regelkreis gebildet werden kann.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass die Luftdichte ohne Bestimmung derselben indirekt
berücksichtigt
wird, indem die von einem zur Zuführung der Luft vorgesehenen
Gebläse
aufgenommene Leistung durch eine Regeleinrichtung einem Sollwert
nachgeführt
wird. Dadurch ergeben sich die Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Heizgerätes für das erfindungsgemäße Verfahren
in gleicher oder ähnlicher
Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden
Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Gleiches
gilt sinngemäß für die nachfolgend angegebenen
vorteilhaften Ausführungsformen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb auch
diesbezüglich
auf die entsprechenden Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Auch
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist
es vorteilhaft, wenn der Sollwert variabel ist.
Dabei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Sollwert von der Betriebsart
des Heizgerätes
abhängt.
Weiterhin
kann es auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorteilhaft sein, dass der Sollwert von in dem Heizgerät verbauten
und/oder mit diesem zusammenwirkenden Komponenten abhängt.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die von dem Gebläse
aufgenommene Leistung P vorzugsweise über den Zusammenhang P = M·ωermittelt,
wobei
- M
- das am Gebläsemotor
anliegende Drehmoment M und
- ω
- die Winkelgeschwindigkeit
des Gebläsemotors ist.
Dabei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Drehmoment M des Gebläses über den
Zusammenhang M = k1·Iermittelt
wird, wobei
- I
- der elektrische Strom
I des Gebläsemotors
und
- k1
- eine geeignete Konstante
ist.
Auch
bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es vorteilhaft sein, dass die Leistung des Gebläsemotors
durch eine Pulsweitenmodulation beeinflusst wird.
In
diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft erachtet,
wenn vorgesehen ist, dass eine Pulsweitenmodulationseinheit den
Regler der Regelung bildet.
Dabei
ist es vorteilhaft, dass die Winkelgeschwindigkeit und/oder der
Strom des Gebläsemotors
durch geeignete Sensoren erfasst werden.
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Regelung
der vom Brennluftzuführgebläse aufgenommenen
Leistung die aktuelle Luftdichte auch ohne Bestimmung derselben
berücksichtigt
und damit indirekt der CO2-Ausstoß geregelt
werden kann.
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
Es
zeigen:
1 ein Funktionsblockdiagramm
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Heizgerätes;
2 ein Blockschaltbild des
in der Ausführungsform
gemäß 1 verwendeten Regelkreises;
3 einen Stromlaufplan für eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Heizgerätes;
4 einen Stromlaufplan für eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Heizgerätes;
5 ein Flussdiagramm einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Heizgerätes. Das
dargestellte Heizgerät 10 weist
einen Brenner 12, eine Brennstoffdosierpumpe 14,
ein Brennluftgebläse 16 sowie
ein Steuergerät 18 auf.
Es wurde auf die Darstellung weiterer für den Erfindungsgedanken nicht
wesentlicher, aber für
den Betrieb des Heizgeräts
notwendiger Komponenten wie beispielsweise ein Startelement, einen
Flammwächter
etc. aus Gründen
der Übersichtlichkeit
verzichtet. Das Steuergerät 18 kann
durch beliebige analoge und/oder digitale Schaltungen, insbesondere
auch durch Mikroprozessoren verwirklicht sein und bildet insbesondere
auch den für
die Durchführung
der erfindungsgemäßen Regelung
erforderlichen Regler, beispielsweise in Form einer Pulsweitenmodulationseinheit.
Die Brennstoffdosierpumpe 14 und das Brennluftgebläse 16 sind über Signalleitungen 20 beziehungsweise 22 mit
dem Steuergerät 18 verbunden.
Die Brennstoffdosierpumpe 14 ist über die Brennstoffleitung 24 mit
dem Brenner 12 verbunden. Das Brennluftgebläse 16 führt dem
Brenner 12 über den
Brennluftkanal 26 die zur Verbrennung erforderliche Luft
zu. Des Weiteren sind in dem Brennluftgebläse 16 schematisch
der Gebläsemotor 28 sowie Sensoren
für die
Drehzahl 30 und den Strom 32 angedeutet. Die Sensoren
sind über
Signalleitungen 34 beziehungsweise 36 mit dem
Steuergerät 18 verbunden.
Im
Betrieb gestaltet sich das Zusammenwirken der Komponenten wie folgt:
Die Brennstoffdosierpumpe 14 erzeugt einen durch das Steuergerät 18 festgelegten
Brennstoffmassenstrom und fördert diesen über die
Brennstoffleitung 24 dem Brenner 12 zu. Gleichzeitig
erzeugt das Brennluftgebläse 16 einen
Brennluftmassenstrom, den es über
den Brennluftkanal 26 ebenfalls dem Brenner 12 zuführt. Die vom
Gebläsemotor 28 aufgenommene
Leistung setzt sich aus dem Drehmoment M und der Winkelgeschwindigkeit ω wie folgt
zusammen: P = M·ω.
Da
das Moment M direkt proportional zum vom Gebläsemotor aufgenommenen Strom
I ist, wird dieser mit Hilfe des Sensors 32 am Brennluftgebläse 16 erfasst
und an das Steuergerät 18 über die
Signalleitung 36 weitergeleitet. Dort wird der Strommesswert
mit einem geeigneten Faktor k1 multipliziert,
so dass sich das Moment M über
den Strom I wie folgt bestimmen lässt: M =
k1·I,wobei
k1 ein geeigneter Proportionalitätsfaktor
ist. Die vom Gebläse
aufgenommene Leistung ist mit dem Brennluftmassenstrom korreliert
und wird erfindungsgemäß dem aktuellen
Sollwert nachgeführt, um
unterschiedliche Luftdichten zu berücksichtigen und somit das Abgasverhalten
zu verbessern.
Ändert sich
nun die Luftdichte beispielsweise durch unterschiedliche Wetterlagen
oder durch Fahrten über
Gebirgspässe
oder ähnliches,
wird die Winkelgeschwindigkeit ω des
Brennluftgebläses
so lange verändert,
bis vom Brennluftgebläse 16 wieder
die Sollleistung aufgenommen wird.
Ein
entsprechender Regelkreis ist in 2 dargestellt.
Eine geeignet vorgegebene Sollleistung PSoll 40 wird
am Vergleicher 42 durch Differenzbildung mit der momentanen
vom Gebläsemotor
aufgenommenen Istleistung PIst 44 durch
Differenzbildung verglichen. Auf Basis der sich ergebenden Regeldifferenz
wird die im Block 46 vorgesehene und weiter unten ausführlicher
beschriebene Pulsweitenmodulation (PWM) der Arbeitsspannung UA am Gebläsemotor 48 des
Brennluftgebläses
angepasst, um die von diesem aufgenommene Leistung zu regeln. Zurückgeführt werden
die Winkelgeschwindigkeit ω und der
vom Motor aufgenommenen Strom I. Diese beiden Größen werden im Multiplikationsglied 50 miteinander
multipliziert, im Block 52 mit dem Faktor k1 multipliziert
und als aktuell aufgenommene Istleistung PIst 44 wiederum
dem Vergleicher 44 zugeführt. Somit ergibt sich der
erfindungsgemäß vorgesehene
geschlossene Regelkreis.
Bei
der in 3 dargestellten
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Heizgerätes handelt
es sich bei dem Gebläsemotor 28 um
einen permanenterregten Gleichstrommotor. Gemäß 3 sind ein Controller 60 als
Teil des Heizungssteuergeräts 18,
ein Hallsensor 62 sowie ein permanenterregter Gleichstrommotor 64 vorgesehen.
In dieser Ausführungsform
ist der Gleichstrommotor 64 am Wellenende mit einem Permanentmagneten 61 versehen. Dieser
Magnet 61 ermöglicht
die Drehzahlerfassung über
den Hallsensor 62. Der Controller 60 ist über die Signalleitung 66 mit
dem Hallsensor 62 verbunden und empfängt von dort das die Drehzahl
des permanenterregten Gleichstrommotors 64 darstellende Spannungssignal. Über die
Signalleitungen 68 und 70 ermit telt der Controller 60 am
Messwiderstand 72 den durch den Gleichstrommotor 64 fließenden Strom.
Somit erfasst der Microcontroller 60 über den hier als Hallsensor
ausgeführten
Drehzahlsensor 62 die Drehzahl des Gleichstrommotors 64. Über die
Signalleitungen 68 und 70 ermittelt er den durch
den Gleichstrommotor 64 fließenden Strom. Diese beiden Messwerte
werden miteinander und mit einem geeigneten Faktor multipliziert,
wodurch die am Gleichstrommotor momentan aufgenommene Leistung PIst ermittelt wird. Dieser Wert wird im Controller 60 mit dem
Sollleistungswert PSoll verglichen, und
eine geeignet pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung UA wird
an den Gleichstrommotor 64 angelegt. Diese berechnet sich
nach folgender Formel: UA =
UBatt·√PWM,wobei
- UA
- die effektiv am Gleichstrommotor 64 wirksame
Spannung
- UBatt
- die vom Bordnetz gelieferte
Batteriespannung und
- PWM
- das Pulsweitenmodulationssignal
darstellt.
Bei
der in 4 dargestellten
zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist
anstatt des permanent erregten Gleichstrommotors 64 ein
sogenannter EC-Motor 82 (EC = "elektronically commutated") vorgesehen. In 4 ist unter anderem ein
Microcontroller 80 und der EC-Motor 82 dargestellt.
Der Microcontroller 80 ist über Signalleitungen 84 und 86 mit
dem Messwiderstand 88 verbunden, über den der vom Motor 82 aufgenommene Strom
bestimmt wird. Des Weiteren sind Signalleitungen 90 bis 100 vorgesehen,
die den Microcontroller 80 mit Schalttransistoren 102 bis 112 verbinden.
Diese sind wiederum mit den Kommutierungsblöcken des EC-Motors 82 verbunden.
Beim EC-Motor 82 wird die Drehzahl durch die Kommutierungsfrequenz vorgegeben.
Um die Spulen des EC-Motors 82 nicht mit unnötig hoher
Leistung zu beaufschlagen und so eine Wärmeentwicklung in den Spulen
und den daraus resultierenden schlechten Wirkungsgrad zu vermeiden,
wird den einzelnen Phasen der Kommutierungsblöcke eine Pulsweitenmodulation überlagert. Die
Pulsweite wird solange verringert, bis der EC-Motor 82 gerade
noch in der Lage ist, das Lastmoment bei vorgegebener Drehzahl zu
bewältigen.
Die Drehzahl selbst wird vom Controller 80 vorgegeben,
der Strom wird, wie erwähnt, über den
Messwiderstand 88 ermittelt. Somit kann die Leistung PIst vom Controller 80 berechnet
und mit der Sollleistung PSoll verglichen
werden. Bei einer Abweichung kann das Pulsweitenmodulationssignal
entsprechend abgeändert werden
und so die vom EC-Motor 82 aufgenommene Leistung geregelt
werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren
beginnt beim Schritt S01. Dort wird von einem Steuergerät, das hier
unter anderem insbesondere den Regler bildet, die momentane von
einem Brennluftgebläse
aufzunehmende Leistung PSoll festgesetzt.
Dieser Sollwert wird in Schritt S02 durch Differenzbildung mit der
momentan vom Gebläse
aufgenommenen Istleistung PIst verglichen.
Die in diesem Schritt als Regeldifferenz ermittelte Leistungsdifferenz
PDiff wird vom Steuergerät bestimmt. Entsprechend dieser
Regelgrößenabweichung
wird das Pulsweitenmodulationssignal angepasst. Dies geschieht in
Schritt S03, wodurch eine geeignete Arbeits spannung UA erzeugt
wird, um die Istleistung PIst der Sollleistung
PSoll nachzuführen. Diese Arbeitsspannung
UA wird in Schritt S04 an den Gebläsemotor
des Heizgeräts
angelegt. Es stellen sich eine geänderte Winkelgeschwindigkeit ω und ein
geänderter Strom
I ein. Diese beiden Größen werden
in Schritt S05 ermittelt und in Schritt S06 zusammen mit einem geeigneten
Korrekturfaktor zur Berechnung der momentanen vom Gebläse aufgenommenen
Leistung PIst verwendet, so dass das Verfahren
beim Schritt S01 fortgesetzt werden kann.
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.