DE102008022084A1

DE102008022084A1 - Verfahren zum Starten eines Heizgerätes, insbesondere Fahrzeugheizgeräts

Info

Publication number: DE102008022084A1
Application number: DE102008022084A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bauer
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-06
Also published as: DE102008022084B4

Abstract

Ein Verfahren zum Starten eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei das Heizgerät eine mit Verbrennungsluft und flüssigem Brennstoff zu speisende Brennkammerbaugruppe sowie eine Brennstoffförderanordnung zum Fördern von Brennstoff zu der Brennkammerbaugruppe über eine Brennstoffzuführleitung umfasst, umfasst das Verfahren die Maßnahmen: a) Beim Starten des Heizgerätes, Ermitteln eines Brennstoffverlustvolumens, welches das seit dem letzten Betriebsende des Heizgeräts bis zum Starten aus der Brennstoffzuführleitung verlorene Brennstoffvolumen repräsentiert, b) vor dem Beginn eines Verbrennungsförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung beim Starten des Heizgeräts, Durchführen eines Startvorförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung zum Fördern eines dem Brennstoffverlustvolumen entsprechenden Brennstoffvolumens in die Brennstoffzuführleitung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem ein beispielsweise als Zuheizer oder Standheizung betreibbares Heizgerät in einem Fahrzeug gestartet werden kann.
Ein derartiges Fahrzeugheizgerät, wie es beispielsweise aus der DE 195 45 677 A1 bekannt ist, ist in 1 gezeigt. Man erkennt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Fahrzeugheizgerät. Einer Brennkammerbaugruppe 12 dieses Fahrzeugheizgeräts 10 wird über eine Brennstoffzuführleitung 14 flüssiger Brennstoff zugeführt. Hierzu ist eine beispielsweise als getaktet arbeitende Dosierpumpe ausgebildete Brennstoffförderanordnung 16 vorhanden, die über eine Aufnahmeleitung 18 flüssigen Brennstoff aus einem Reservoir 20 aufnimmt.
Zusätzlich zu dem Brennstoff B wird der Brennkammerbaugruppe 12 über ein nicht dargestelltes Gebläse Verbrennungsluft L zugeführt. Der Brennstoff B wird beispielsweise verdampft und mit der Verbrennungsluft L gemischt, um dann die bei der Verbrennung entstehende Wärme in einer Wärmetauscheranordnung 22 auf ein zu erwärmendes Medium, beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft, zu übertragen. Über eine Abgasleitung 24 verlässt ein Abgasstrom A das Fahrzeugheizgerät 10.
Zum Starten des Verbrennungsbetriebs wird beispielsweise nach einer Vorglühphase eines nicht dargestellten Zündorgans und dabei möglicherweise bereits auch geförderter Verbrennungsluft L die Brennstoffförderanordnung 16 zur Durchführung eines Verbrennungsförderbetriebs erregt. Für diesen Verbrennungsförderbetrieb kann die Brennstoffförderanordnung 16 beispielsweise mit einer vorgegebenen Frequenz betrieben werden, so dass pro Arbeitstakt, also beispielsweise pro Hub eines Förderkolbens, ein bestimmtes Volumen gefördert wird und bestimmt durch die Förderfrequenz dann ein in Zuordnung zu einer auch vorgesehenen Verbrennungsluftmenge definierter Brennstoffstrom bereitgestellt werden kann. Wird der Betrieb des Heizgeräts 10 beendet, so wird selbstverständlich auch die Erregung der Brennstoffförderanordnung 16 eingestellt, so dass diese keinen weiteren Brennstoff in Richtung Brennkammerbaugruppe 12 fördert. Die Verbrennungsluftförderanordnung kann noch weiter betrieben werden, um in einem Restverbrennungsbetrieb den in der Brennkammerbaugruppe 12 noch vorhandenen Restbrennstoff zu verbrennen bzw. auszutreiben, möglicherweise unterstützt durch gleichzeitige Erregung eines Zündorgans oder einer Heizeinrichtung für ein poröses Verdampfermedium. Da in dieser Phase die Brennstoffaufnahmeleitung 18 durch die nicht mehr erregte Brennstoffförderanordnung 16 abgeschlossen ist, besteht grundsätzlich nicht die Gefahr, dass aus dem Reservoir 20 noch weiterer Brennstoff in Richtung Brennkammerbaugruppe 12 nachströmt. Das zwischen der Brennstoffförderanordnung 16 und der Brennkammerbaugruppe 12 vorhandene Volumen, insbesondere der Brennstoffzuführleitung 14, kann sich jedoch in Richtung Brennkammerbaugruppe 12 entleeren. Vor allem bei längerer Stillstandzeit kann dies dazu führen, dass der auf diese Art und Weise in die Brennkammerbaugruppe 12 austretende Brennstoff verdampft und somit zur weiteren Verbrennung nicht zur Verfügung steht. Beim erneuten Starten des Heizgeräts 10 ist die Brennstoffzuführleitung 14 dann also teilentleert, so dass bei Erregung der Brennstoffförderanordnung 16 zum Starten des Verbrennungsförderbetriebs zunächst Brennstoff gefördert werden muss, um das nicht mehr mit Brennstoff befüllte Volumen zwischen der Brennstoffförderanordnung 16 und der Brennkammerbaugruppe 12 wieder aufzufüllen. Dies führt zu Verzögerungen im Startbetrieb, was aufgrund der Tatsache, dass auch eine längere Erregung eines Zündorgans bzw. einer die Verdampfung von Brennstoff unterstützenden Heizeinrichtung eine stärkere Belastung eines Bordspannungssystems erzeugt wird.
Um diesem Problem entgegenzutreten, ist bei der aus der DE 195 45 677 A1 bekannten Anordnung ein Ventil 26 vorgesehen, welches die Brennstoffzuführleitung 14 in ihrem der Brennkammerbaugruppe 12 nahen Endbereich abschließt, wenn die Brennstoffförderanordnung 16 nicht erregt wird. Dieses Ventil 26 kann beispielsweise als schaltbares Ventil ausgebildet sein, welches zum Abschließen der Brennstoffzufühleitung 14 angesteuert wird, wenn die Erregung der Brennstoffförderanordnung 16 eingestellt wird, kann selbstverständlich aber auch als mechanisch wirkendes Rückschlagventil ausgebildet sein. Der Einsatz eines derartigen Ventils 26 verringert die durch die allmähliche Entleerung der Brennstoffzuführleitung 14 entstehenden Probleme beim erneuten Starten des Heizgeräts 10, beseitigt sie jedoch nicht vollständig. Insbesondere vergleichsweise lange Stillstandzeiten können zur Folge haben, dass eine Brennstoffpermeation durch die Brennstoffzuführleitung 14 bzw. diese mit anderen Leitungsabschnitten verbindende Verbindungselemente auftritt. Auch der zwischen dem Ventil 26 und der Brennkammerbaugruppe 12 bzw. einer Brennkammer derselben vorhandene Leitungs- bzw. Volumenbereich unterliegt der Gefahr der allmählichen Entleerung, da dieser in Richtung zur Brennkammer nicht abgeschlossen ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Starten eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes, insbesondere Fahrzeugheizgerät, vorzusehen, mit welchem in zuverlässiger Art und Weise dem Problem einer in einer Stillstandzeit auftretenden Leitungsentleerung entgegengewirkt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Starten eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei das Heizgerät eine mit Verbrennungsluft und flüssigem Brennstoff zu speisende Brennkammerbaugruppe sowie eine Brennstoffförderanordnung zum Fördern von Brennstoff zu der Brennkammerbaugruppe über eine Brennstoffzuführleitung umfasst, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst:

a) Beim Starten des Heizgerätes, Ermitteln eines Brennstoffverlustvolumens, welches das seit dem letzten Betriebsende des Heizgeräts bis zum Starten aus der Brennstoffzuführleitung verlorene Brennstoffvo lumen repräsentiert,
b) vor dem Beginn des Verbrennungsförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung beim Starten des Heizgeräts, Durchführen eines Startvorförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung zum Fördern eines dem Brennstoffverlustvolumen entsprechenden Brennstoffvolumens in die Brennstoffzuführleitung.

Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird also eine vor dem Starten des Heizgeräts aufgetretene teilweise Entleerung einer Brennstoffzuführleitung dadurch berücksichtigt bzw. kompensiert, dass zunächst ermittelt wird, in welchem Ausmaß eine derartige Entleerung aufgetreten ist. Das diese Entleerung repräsentierende Brennstoffverlustvolumen wird dann vor dem Start des eigentlichen Verbrennungsbetriebs, also auch vor dem Start des Verbrennungsförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung in einem Startvorförderbetrieb in die Brennstoffzuführleitung eingespeist, so dass diese im Idealfalle wieder vollständig gefüllt ist, jedoch noch kein Brennstoff in Richtung Brennkammerbaugruppe austritt. Mit dem Einsetzen des dann folgenden Verbrennungsförderbetriebs tritt unmittelbar Brennstoff in Richtung Brennkammerbaugruppe aus, kann mit der ebenfalls eingespeisten Verbrennungsluft durchmischt und sofort gezündet bzw. auch verbrannt werden. Etwaige Zeitverzögerungen bei der Brennstoffzufuhr können somit vermieden werden, insbesondere auch deshalb, da beim Starten eines derartigen Heizgeräts zwischen der Erzeugung eines Startbefehls und dem Beginn des Verbrennungsförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung im Allgemeinen eine vergleichsweise lange Zeitdauer vergeht, die erforderlich ist, um für das Zünden günstige thermische Bedingungen beispielsweise im Bereich eines Glühzündorgans zu schaffen. Diese Zeitphase kann erfindungsgemäß dann genutzt werden, um parallel dazu eine Vorbefüllung bzw. ein Wiederauffüllen der Brennstoffzuführleitung durchzuführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein erstes Brennstoffverlustvolumen auf der Grundlage der zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Heizgeräts vergangen Zeit und eines Brennstoffverlustfaktors ermittelt wird, welcher das bei nicht erregter Brennstoffförderanordnung pro Zeit aus der Brennstoffzuführleitung entweichende Brennstoffvolumen repräsentiert. Bei dieser Art der Ermittlung des Brennstoffverlustvolumens wird also ein theoretisches Modell aufgestellt, welches selbstverständlich die bei einem konkret aufgebauten System vorhandenen baulichen Gegebenheiten berücksichtigen kann, wie z. B. den Querschnitt der Brennstoffzuführleitung, deren Länge, deren Lage und auch deren Aufbaumaterial. Es kann beispielsweise in Laborversuchen ermittelt werden, wie über die Zeit hinweg die Brennstoffzuführleitung sich allmählich entleert, so dass ein Brennstoffverlustfaktor ermittelt werden kann.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das erste Brennstoffverlustvolumen ermittelt wird als: VV1 = Δt·FV,wobei

Δt: das Zeitintervall zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Fahrzeugheizgeräts ist,
F_V: der Brennstoffverlustfaktor der Brennstoffzuführleitung ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein zweites Brennstoffverlustvolumen auf der Grundlage des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Brennstoffs und der Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts ermittelt wird. Bei dieser Art der Ermittlung des Brennstoffverlustvolumens wird berücksichtigt, dass durch thermische Ausdehnung des Brennstoffs ein Teil desselben zwangsweise aus der Brennstoffzuführleitung verdrängt wird, wenn nach dem letzten Betriebsende die Temperatur beispielsweise in der Umgebung eines Fahrzeugs oder aber auch genauer gemessen in der Umgebung der Brennstoffzuführleitung über eine Temperatur ansteigt, wie sie am Ende des letzten Betriebs vorhanden war. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das zweite Brennstoff verlustvolumen auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Temperatur zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Heizgeräts und der Temperatur beim Starten des Heizgeräts ermittelt wird. Steigt also die Temperatur, welche hier berücksichtigt wird, über eine am Ende der letzten Betriebsphase vorhandene Temperatur auf einen Maximalwert an und sinkt sie dann wieder ab, so ist die Temperaturdifferenz zwischen diesem Maximalwert und der beim Starten des Heizgeräts dann vorhandenen Temperatur mitbestimmend für das durch zunächst auftretende Erwärmung und dann Abkühlung generierte Leervolumen, also das Brennstoffverlustvolumen, der Brennstoffzuführleitung.
Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das zweite Verlustvolumen ermittelt wird als: VV2 = VL·y·(Tmax – TNB)·Kwenn gilt: T_max > T_NB, wobei:

y: der thermische Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffs ist,
T_max: die maximale Temperatur zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Fahrzeugheizgeräts ist,
T_NB: die Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts ist,
K: ein Korrekturfaktor ist,
V_L: das berücksichtigte Volumen der Brennstoffzuführleitung ist,

TNB = Tmax.

Dabei wird also auch berücksichtigt, dass dann, wenn die beim Starten des Heizgeräts vorhandene Temperatur tatsächlich die höchste Temperatur seit dem letzten Betriebsende ist, zumindest eine thermisch bedingte Entleerung der Brennstoffzuführleitung nicht aufgetreten ist, da bis dahin tatsächlich nur eine Volumenzunahme des in der Brennstoffzuführleitung vorhandenen Brennstoffs aufgetreten sein kann.
Bei einer alternativen Vorgehensweise kann vorgesehen sein, dass das zweite Brennstoffverlustvolumen auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur dem letzten Betriebsende und der Temperatur beim Starten des Heizgeräts ermittelt wird. Hier wird also eine Temperaturdifferenz berücksichtigt, die nur die Ermittlung zweier Temperaturwerte erfordert, nämlich der Temperatur am letzten Betriebsende und der Temperatur beim Wiederstarten des Heizgeräts. Dies bedeutet, es ist nicht erforderlich, über die Stillstandzeit hinweg wiederholt die Temperatur zu erfassen, um auf diese Art und Weise einen zusätzlichen Maximalwert zu ermitteln.
Insbesondere kann bei dieser Vorgehensweise vorgesehen sein, dass das zweite Verlustvolumen ermittelt wird als: VV2 = VL·y·(TBE – TNB)·Kwenn gilt: T_BE > T_NB, wobei:

y: der thermische Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffs ist,
T_BE: die Temperatur beim letzten Betriebsende das Fahrzeugheizgerät ist,
T_NB: die Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts ist,
V_L: das berücksichtigte Volumen der Brennstoffzuführleitung ist,
K: ein Korrekturfaktor ist,

TNB > TBE.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorgehensweise können die beiden vorangehend erläuterten Methoden zur Ermitt lung des Brennstoffverlustvolumens, also die Methode zur Ermittlung des ersten Brennstoffverlustvolumens und die Methode zur Ermittlung des zweiten Brennstoffverlustvolumens dadurch kombiniert werden, dass das größere Brennstoffverlustvolumen von erstem Brennstoffverlustvolumen und zweitem Brennstoffverlustvolumen als Grundlage für den Startvorförderbetreib verwendet wird. Durch die Auswahl des jeweils größeren dieser beiden Verlustvolumina wird sichergestellt, dass unter Berücksichtigung der thermischen Verhältnisse und auch der Zeitverhältnisse jeweils der kritische Anteil Vorrang hat.
Weiter kann auf der Grundlage des Brennstoffverlustvolumens eine Brennstoffvorförderzeit ermittelt werden, welche für die Durchführung des Startvorförderbetriebs, also das Fördern des Brennstoffverlustvolumens, erforderlich ist.
Dabei kann dann weiter vorgesehen sein, dass dann, wenn die Brennstoffvorförderzeit größer ist, als die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs verbleibende Zeit, der Startvorförderbetrieb sofort begonnen wird. Obgleich dann, wenn diese Brennstoffvorförderzeit tatsächlich größer ist, als die für die Vorförderung noch zur Verfügung stehende Zeit, die Gefahr, dass die Brennstoffzuführleitung nicht vollständig nachbefüllt werden kann, grundsätzlich gegeben ist, wird damit zumindest die Möglichkeit geschaffen, die in der Stillstandzeit aufgetretene Teilentleerung so weit als möglich zu kompensieren.
Weiter kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die Brennstoffvorförderzeit kleiner ist, als die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs verbleibende Zeit, der Startvorförderbetrieb in einer ersten Vorförderphase mit einer ersten Vorförderrate durchgeführt wird und in einer zweiten Vorförderphase mit einer zweiten Vorförderrate durchgeführt wird. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die zweite Vorförderrate kleiner ist, als die erste Vorförderrate, wobei vorzugsweise die zweite Vorförderrate im Wesentlichen der Förderrate für den Beginn des Verbrennungsförderbetriebs ent spricht. Somit wird ein stetiger Übergang von dem Startvorförderbetrieb in den normalen Verbrennungsförderbetrieb erhalten, ohne dass größere Brennstoffpulsationen oder Vorzündungen unter ungünstigen Mischungsverhältnissen entstehen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät aus dem Stand der Technik;
2 in ihrem Diagramm a) das Betriebsverhalten eines Verbrennungsluftgebläses beim Starten eines Heizgeräts und in ihrem Diagramm b) das Betriebsverhalten einer Dosierpumpe beim Starten des Heizgeräts ohne Startvorförderung;
3 ein Diagramm, welches das beruhend auf einer Stillstandzeit ermittelte Brennstoffverlustvolumen darstellt;
4 der 2 entsprechende Diagramme für den Fall einer Startvorförderung mit geringem Brennstoffverlustvolumen;
5 der 2 entsprechende Diagramme mit Startvorförderung mit einem vergleichsweise großen Brennstoffverlustvolumen.
Die 2 zeigt in ihren Diagrammen a) und b) beispielsweise für das in 1 gezeigte Heizgerät 10 den Betrieb eines Verbrennungsluftgebläses (Diagramm a)) und den Betrieb einer Dosierpumpe (Diagramm b)). Dabei ist anzunehmen, dass zum Zeitpunkt 0 der auf der X-Achse aufgetragenen Zeitskala ein Startbefehl erzeugt wird. Nach Erzeugung des Startbefehls erfolgt eine Vorwärmung der Brennkammerbaugruppe 12, insbesondere durch Erregung eines Zündorgans und, sofern vorhanden, auch durch Erregung einer einem porösen Verdampfermedium zugeordneten Heizeinrichtung. Pa rallel kann das Verbrennungsluftgebläse betrieben werden, um mit einem vergleichsweise geringen Volumenstrom Luft bzw. Frischluft in die Brennkammerbaugruppe 12 zu fördern. In dieser Vorwärm- bzw. Vorglühphase, welche beispielsweise über ein fest vorgegebenes Zeitintervall ablaufen kann oder deren Länge auch bestimmt sein kann durch die vorhandenen thermischen Bedingungen insbesondere in der Umgebung eines Zündorgans, bleibt die Brennstoffzuführanordnung 16, also eine Dosierpumpe, noch unerregt. Zum Zeitpunkt t_SB startet der Verbrennungsbetrieb, startet also auch ein Verbrennungsförderbetrieb einer Dosierpumpe, zunächst mit vergleichsweise geringer Förderrate, also auch mit vergleichsweise geringer Taktfrequenz. Zu diesem Zeitpunkt t_SB ist auch das Verbrennungsluftgebläse bereits in einem Betriebszustand, in welchem es in Zuordnung zu der im Verbrennungsförderbereich bzw. an dessen Beginn geförderten Brennstoffmenge eine für das gewünschte Mischungsverhältnis passende Verbrennungsluftfördermenge fördert. Nach erfolgter Zündung kann die Heizleistung dann allmählich angehoben werden, was, wie die 2 in den Diagrammen a) und b) zeigt, durch im Wesentlichen gleichartiges Erhöhen der Brennstoffzuführmenge und der Verbrennungsluftzuführmenge erfolgt.
Das Diagramm der 2 zeigt einen Betrieb, in welchem eine seit einem letzten Betriebsende und dem erneuten Starten des Heizgeräts 10 möglicherweise aufgetretene Entleerung des an sich mit Brennstoff gefüllten Leitungsvolumens zwischen der Brennstoffförderanordnung 16 und der Brennkammerbaugruppe 12 nicht berücksichtigt wird oder ggf. eine derartige Entleerung nicht aufgetreten ist. Im Allgemeinen wird jedoch bei längerer Stillstandzeit die Brennstoffzuführleitung 14 sich teilweise entleeren, insbesondere dann, wenn ein Ventil 26, wie es in der 1 gezeigt ist, nicht vorhanden ist.
Um diese vor dem Starten eines Fahrzeugheizgeräts möglicherweise aufgetretene teilweise Entleerung der Brennstoffzuführleitung 14 zu berücksichtigen, also am Beginn des Verbrennungsförderbetriebs zum Zeitpunkt t_SB dafür gesorgt zu haben, dass unmittelbar bei Erregung der Brennstoffförderan ordnung 16 tatsächlich auch Brennstoff in die Brennkammerbaugruppe 12 ausgestoßen wird, wird bei einer erfindungsgemäßen Vorgehensweise zum Starten des Betriebs eines Heizgeräts 10 zunächst, also beispielsweise nach dem Erzeugen des Startbefehls zum Zeitpunkt 0, ein Verlustvolumen ermittelt, welches das Volumen des zwischen dem letzten Betriebsende und dem erneuten Starten des Fahrzeugheizgeräts, also beispielsweise dem Zeitpunkt der Erzeugung des Startbefehls, entwichenen Volumen des Brennstoffs entspricht.
Die 3 veranschaulicht eine mögliche Vorgehensweise zum Ermitteln eines derartigen Brennstoffverlustvolumens. Man erkennt in 1 aufgetragen über der Zeit t einen hier linearen Verlauf einer Verlustkennlinie K_V. Diese beispielsweise im Laborversuch für ein konkret aufgebautes System ermittelte Verlustkennlinie K_V gibt an, mit welcher Rate Brennstoff nach Beenden des Betriebs, also bei nicht erregter Brennstoffförderanordnung, aus der Brennstoffzuführleitung entweicht. Diese Verlustkennlinie K_V muss nicht notwendigerweise eine Gerade sein, sondern kann die tatsächlichen Gegebenheiten berücksichtigend selbstverständlich auch einen gekrümmten Verlauf aufweisen.
Soll also zum Zeitpunkt t_NB der Betrieb des Fahrzeugheizgeräts wieder gestartet werden, so wird unter Berücksichtigung des Zeitintervalls zwischen dem letzten Betriebsende, also dem Zeitpunkt t_BE, und dem erneuten Starten des Heizgeräts, also dem Zeitpunkt t_NB, anhand der Verlustkennlinie K_V ein erstes Brennstoffverlustvolumen V_V1 ermittelt, beispielsweise aus einem entsprechenden Kennfeld ausgelesen. Dieses erste Brennstoffverlustvolumen V_V1 wird dann genutzt, um vor dem Beginn des Verbrennungsförderbetriebs zum Zeitpunkt t_SB die Brennstoffförderanordnung zu erregen. Diese Erregung erfolgt derart, dass sichergestellt ist, dass das durch das erste Brennstoffverlustvolumen V_V1 repräsentierte Brennstoffverlustvolumen in die Brennstoffzuführleitung, also beispielsweise die in 1 erkennbare Brennstoffzuführleitung 14, gefördert wird.
Die 4 zeigt den Fall, dass vor dem Zeitpunkt des Beginns des Verbrennungsförderbetriebs t_SB eine vergleichsweise geringe Brennstoffmenge in die Brennstoffzuführleitung gefördert werden muss, um das durch das erste Brennstoffverlustvolumen V_V1 repräsentierte Verlustvolumen wieder nachzufüllen. Zu einem Zeitpunkt t_S startet ein Startvorförderbetrieb der Brennstoffzuführanordnung, also beispielsweise einer Dosierpumpe. Da das zu kompensierende Verlustvolumen mit der Erzeugung des Startbefehls ermittelt wird, ist bekannt, ob die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs zum Zeitpunkt t_SB zur Verfügung stehende Zeit ausreicht, um das nachzufüllende Volumen zu fördern. In dem in 4 gezeigten Fall kann aufgrund eines vergleichsweise kleinen nachzufordernden Verlustvolumens eine Dosierpumpe beispielsweise so erregt werden, dass sie mit der gleichen Förderrate, also der gleichen Arbeitsfrequenz arbeitet, wie diese auch für den Verbrennungsförderbetrieb erforderlich ist. Dabei ist die im Startvorförderbetrieb zu fördernde Brennstoffmenge so gering, dass nach der Erzeugung des Startbefehls zum Zeitpunkt 0 noch etwas zugewartet werden kann, bis der Startvorförderbetrieb zum Zeitpunkt t_S begonnen wird.
Ist eine größere Brennstoffmenge nachzufüllen, so kann unmittelbar mit Erzeugung des Startbefehls bzw. sofort dann, wenn das Brennstoffverlustvolumen ermittelt worden ist, mit dem Startvorförderbetrieb begonnen werden, erforderlichenfalls auch mit einer Förderrate, die größer ist als diejenige Förderrate, mit welcher dann zum Zeitpunkt t_SB in den Verbrennungsförderbetrieb übergegangen wird. Hier kann beispielsweise auch mit der maximal möglichen Förderrate gearbeitet werden. Auch dann, wenn die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs verbleibende Zeit nicht mehr ausreicht, um selbst mit maximaler Förderrate das tatsächlich erforderliche Verlustvolumen nachzufordern, wird vorzugsweise sofort dann, wenn dieses Verlustvolumen, also beispielsweise das erste Brennstoffverlustvolumen, ermittelt worden ist, mit dem Startvorförderbetrieb begonnen, und zwar dann mit der größtmöglichen Förderrate, um bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs möglichst viel Brennstoff nachgespeist zu bekommen.
Die 5 veranschaulicht eine Vorgehensweise, bei welcher die zwischen der Erzeugung des Startbefehls und damit auch dem Zeitpunkt, zu welchem das Verlustvolumen ermittelt wird, und dem Beginn des Verbrennungsförderbetriebs zum Zeitpunkt t_SB verbleibende Zeit genutzt wird, um in zwei Vorförderphasen einen hinsichtlich der Förderrate gestuften Betrieb der Brennstoffförderanordnung zu realisieren. Hier wird also unmittelbar dann, wenn feststeht, welche Brennstoffmenge nachzufördern ist, zu einem Zeitpunkt t_S1 eine erste Vorförderphase mit einer ersten Vorförderrate gestartet, welche vergleichsweise hoch ist, beispielsweise nahe an der maximal möglichen Förderrate liegen kann. Zu einem Zeitpunkt t_S2 wird dann in eine zweite Vorförderphase übergegangen, in welcher mit geringerer Förderrate gearbeitet wird, vorzugsweise mit einer Förderrate, die derjenigen, die am Beginn des Verbrennungsförderbetriebs zum Zeitpunkt t_SB einzustellen ist, entspricht. Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass bei dem zwischen den Zeitpunkten t_S1 und t_SB ablaufenden Startvorförderbetrieb insgesamt eine Brennstoffmenge gefördert wird, welche dem ermittelten Brennstoffverlustvolumen entspricht. Je nachdem, wie groß dieses Brennstoffverlustvolumen ist, kann der Übergang in die zweite Vorförderphase, also der Zeitpunkt t_S2, dann etwas früher oder etwas später auftreten.
Mit dieser Vorgehensweise wird sichergestellt, dass auch eine vergleichsweise große nachzuspeisende Brennstoffmenge so eingeleitet wird, dass vor dem Zeitpunkt t_SB keine ungewollte Zündung auftreten wird, bei der dann tatsächlich ungünstige Mischungsverhältnisse mit der in die Brennkammerbaugruppe auch eingespeisten Verbrennungsluft vorhanden wäre, und die dann wieder unterbrochen wird, wenn der Startvorförderbetrieb aufgrund ausreichender Nachspeisung von Brennstoff endet, bevor der Verbrennungsförderbetrieb beginnt.
Ist der Zeitpunkt t_SB, zu welchem in den Verbrennungsförderbetrieb übergegangen werden soll, nicht bekannt, beispielsweise deshalb, weil für einen Startvorgang keine fest definierte Vorglühzeit vorgegeben ist und der Verbrennungsförderbetrieb tatsächlich dann gestartet wird, wenn im Bereich ei nes Zündorgans die erforderlichen thermischen Bedingungen erzeugt worden sind, so kann für die Durchführung des Startförderbetriebs beispielsweise mit einem theoretischen Zeitpunkt t_SB gearbeitet werden, welcher unter Berücksichtigung beispielsweise von in der Vergangenheit bereits abgelaufenen Startprozeduren den zu erwartenden Zeitpunkt t_SB für den Beginn des Verbrennungsförderbetriebs wiedergibt. Hier können dann selbstverständlich noch geringfügige Abweichungen auftreten, doch ist sichergestellt, dass das nachzufüllende Brennstoffvolumen mit vergleichsweise hoher Genauigkeit tatsächlich auch in die Brennstoffzuführleitung gefördert wird. Ist beispielsweise bekannt, dass unter Berücksichtigung der für einen jeweiligen Startbetrieb möglichen Variation der Temperaturbedingungen bei nicht fehlerhaft arbeitendem System der Zündzeitpunkt bzw. der Übergang in den Verbrennungsförderbetrieb innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, beispielsweise von 20 bis 25 sek. nach Erzeugen des Startbefehls, zu erwarten ist, so könnte beispielsweise als fiktiver Zeitpunkt für den Übergang in den Verbrennungsförderbetrieb ein Zeitpunkt im Bereich der Mitte dieses Intervalls gewählt werden und bezüglich darauf der Beginn bzw. der Ablauf des Startvorförderbetriebs festgelegt werden. Dauert die Vorglühphase tatsächlich etwas kürzer, so ist eine geringfügig zu kleine Brennstoffmenge nachgefördert worden, was grundsätzlich jedoch akzeptierbar ist, dauert die Vorglühphase etwas länger, so könnte ein kurzes Unterbrechungsintervall auftreten, was jedoch dann nicht problematisch ist, wenn eine zu frühe Zündung noch nicht aufgetreten ist. Es ist selbstverständlich möglich, den fiktiven Zeitpunkt des Übergangs in den Verbrennungsförderbetrieb auch nach hinten, also in den Endbereich eines solchen Intervalls zu legen, um das Problem eines derartigen Totintervalls ohne Brennstoffförderung zu begegnen, oder aber auch den Beginn eines derartigen Intervalls zu wählen, um sicherzustellen, dass auf jeden Fall das ermittelte Verlustvolumen tatsächlich auch nachgefördert werden kann.
Bei dem vorangehend mit Bezug auf die 3 erläuterten ersten Brennstoffverlustvolumen V_V1 kann also beruhend auf einer zuvor bestimmten Verlustkennlinie K_V das Verlustvolumen beispielsweise beruhend auf folgendem Zu sammenhang ermittelt werden: VV1 = Δt·FV,wobei

Hier könnte beispielsweise noch ein Korrekturfaktor mit vorgesehen sein, der auch noch die thermischen Bedingungen berücksichtigt, die im Verlaufe der Stillstandzeit vorhanden waren, da beispielsweise höhere Temperaturen eine bessere Fließfähigkeit des Brennstoffs ebenso wie eine höhere Abdampfungsrate mit sich bringen.
Bei einer alternativen Vorgehensweise zur Ermittlung des Brennstoffverlustvolumens kann dieses als ein zweites Brennstoffverlustvolumen V_V2 berechnet werden als: VV2 = VL·y·(Tmax – TNB)·Kwenn gilt: T_max > T_NB, wobei:

y: der thermische Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffs ist,
T_max: die maximale Temperatur zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten an das Fahrzeugheizgerät ist,
T_NB: die Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts ist,
K: ein Korrekturfaktor ist,
V_L: das berücksichtigte Volumen der Brennstoffzuführleitung ist

TNB = Tmax.

Hier wird also ein zweites Brennstoffverlustvolumen V_V2 unter Berücksichtigung des grundsätzlich zur Verfügung stehenden Brennstoffvolumens einerseits und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des eingesetzten Brennstoffs in Kombination mit den tatsächlich aufgetretenen Temperaturverhältnissen ermittelt. Steigt nach dem Betriebsende die Temperatur an, wird sich der Brennstoff im Allgemeinen ausdehnen, so dass durch die Ausdehnung zwangsweise ein gewisses Volumen an Brennstoff aus der Brennstoffzuführleitung verdrängt wird. Bei nachfolgender Abkühlung zieht sich der Brennstoff wieder zusammen, so dass ein dann nicht mehr mit Brennstoff befülltes Leervolumen entsteht. Dieses ist dann im Startvorförderbetrieb nachzufüllen.
Ein derartiges Leervolumen entsteht tatsächlich nur dann, wenn zwischen dem letzten Betriebsende und dem Beginn des Neustarts ein Temperaturscheitel überschritten wurde und danach tatsächlich auch eine Kontraktion stattgefunden hat. Ist die Temperatur in dieser Phase angestiegen, so dass die am Beginn des Neustarts vorliegende Temperatur tatsächlich auch der Maximalen Temperatur in diesem Zeitintervall entspricht, so ist zwar Brennstoff aus der Brennstoffzuführleitung verdrängt worden, es ist jedoch kein durch thermische Ausdehnung bedingtes Totvolumen entstanden, so dass unter Berücksichtigung dieses Aspekts dann das zweite Brennstoffverlustvolumen tatsächlich auf Null gesetzt werden kann. Ist die Temperatur zum Zeitpunkt des Neustarts unter der Temperatur des letzten Betriebsendes und ist in der Zwischenzeit kein Temperaturanstieg über die Temperatur des letzten Betriebsendes aufgetreten, so entspricht die Temperatur zum Zeitpunkt des letzten Betriebsendes tatsächlich der maximalen Temperatur.
Auch bei dieser Vorgehensweise zur Ermittlung eines zweiten Brennstoffverlustvolumens V_V2 ist es möglich, durch einen Korrekturfaktor noch anderen Größen mitzuberücksichtigen, beispielsweise eine thermisch auch auftretende Volumenänderung der Brennstoffzuführleitung selbst oder andere das tat sächlich aufgebaute System charakterisierende Größen, deren Auswirkung auf das Verlustvolumen im Laborversuch ermittelt werden kann. Insbesondere kann mit einem derartigen Korrekturfaktor berücksichtigt werden, dass im Allgemeinen nicht unmittelbar die Temperatur des Brennstoffs in der Brennstoffzuführleitung ermittelt werden kann, sondern bestenfalls eine Temperatur im Bereich der Umgebung der Brennstoffzuführleitung und mithin hier eine gewisse Temperaturdifferenz, auch bedingt durch Trägheitseffekte bei der Temperaturänderung vorhanden sein kann.
Die bei der Ermittlung dieses zweiten Brennstoffverlustvolumens V_V2 berücksichtigte Temperatur ist vorzugsweise eine Temperatur, die möglichst nahe an der Temperatur des Brennstoffs in der Brennstoffzuführleitung ist. Hier kann beispielsweise ein Temperatursignal eines Sensors genutzt werden, der möglichst nahe an dieser Brennstoffzuführleitung angeordnet ist. Da bei dieser Vorgehensweise insbesondere längerfristige Temperatureinflüsse berücksichtigt sind, können jedoch grundsätzlich auch Temperaturwerte verwendet werden, die durch andere in einem Fahrzeug weiter entfernt von der berücksichtigten Leitung angeordnete Sensoren erfasst werden.
Bei dieser Vorgehensweise ist es also erforderlich, in der Zeit zwischen dem letzten Betriebsende und dem Neustart des Heizgeräts wiederholt einen Temperaturwert zu ermitteln, beispielsweise durch das Aufnehmen eines entsprechenden Sensorsignals. Dazu kann beispielsweise periodisch ein Temperaturerfassungssystem aktiviert werden, und nach der Temperaturerfassung wieder deaktiviert werden. Auf diese Art und Weise kann ein permanenter und mithin sehr energieineffizienter Betrieb, der tatsächlich auch zu einer Entleerung einer Fahrzeugbatterie führen könnte, vermieden werden.
Bei einer alternativen Vorgehensweise könnte das zweite Brennstoffverlustvolumen V_V2 unter Berücksichtigung zweier Temperaturwerte ermittelt werden, von welchen einer der am letzten Betriebsende vorliegenden Temperatur entspricht und der andere der zum Neustart vorliegenden Temperatur entspricht. Es ist dann nicht erforderlich, zwischen diesen Zeitpunkten die Temperatur permanent oder wiederholt zu erfassen. Termperaturscheitelbereiche, also maximale Temperaturwerte, die über der zum Zeitpunkt des letzten Betriebsendes vorhandenen Temperatur liegen und die mithin eine im Vergleich zur Temperatur am letzten Betriebsende noch stärkere ausdehnungsinduzierte Entleerung mit sich bringen können, können dabei zwar nicht berücksichtigt werden, jedoch ist die geringere Belastung des Bordspannungssystems aufgrund nicht erforderlicher Temperaturerfassung zwischen den beiden fraglichen Zeitpunkten von Vorteil.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt kann vorgesehen sein, dass beim Starten eines Heizgeräts die beiden vorangehend angegebenen Möglichkeiten zur Ermittlung eines Brennstoffverlustvolumens ergriffen werden, also sowohl ein erstes Verlustvolumen V_V1 primär unter Berücksichtigung der Stillstandzeit und ein zweites Verlustvolumen V_V2 primär unter Berücksichtigung der thermischen Verhältnisse in der Stillstandzeit ermittelt werden. Es wird dann für den Startvorförderbetrieb das größere der beiden ermittelten Brennstoffverlustvolumina herangezogen, da zu unterstellen ist, dass der dabei jeweils vorhandene Einfluss in einer jeweiligen Stillstandphase dann auch stärker zum Tragen gekommen ist. Der Vorteil dieser Vorgehensweise wird insbesondere an dem Fall deutlich sichtbar, in welchem beispielsweise eine thermische Kontraktion bedingt durch die vorliegenden Umgebungstemperaturen nicht zu erwarten war, gleichwohl jedoch über eine längere Zeit hinweg die Möglichkeit bestanden hat, dass durch Auslaufen oder Verdunstung oder auch Permeation Brennstoff aus einer Zuführleitung entwichen ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise selbstverständlich verschiedene Volumenbereiche der Brennstoffzuführleitung, also zwischen einer Brennstoffförderanordnung und einer Brennkammerbaugruppe, auch verschieden berücksichtigt werden können, insbesondere dann, wenn diese verschiedenen Volumenbereiche in unterschiedlichen Baugruppen realisiert sind oder in unterschiedlichen Positionen an einem Fahrzeug vorhanden sind. Hier kann also dann bei der Ermittlung eines Brennstoffverlustvolumens eine Gewichtung der Beiträge zum Verlustvolumen vorgenommen werden. So könnte in dem in 1 dargestellten Fall beispielsweise der Bereich zwischen der Brennstoffförderanordnung 16 und dem Ventil 26 anders gewichtet werden, als der Bereich zwischen dem Ventil 26 und der Brennkammerbaugruppe 12. Auch ist es grundsätzlich denkbar, ein Gesamtverlustvolumen zu ermitteln auf der Grundlage der Summe, beispielsweise eines ersten Brennstoffverlustvolumens V_V1 für einen ersten Leitungsbereich, aus welchem Brennstoff durch Verdampfung oder Herauslaufen leicht entweichen kann, und eines zweiten Brennstoffverlustvolumens V_V2 für einen zweiten Leitungsbereich, aus welchem das Entweichen unter thermischem Einfluss und dabei zwangsweise auftretender Erwärmung verstärkt aufteten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19545677 A1 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zum Starten eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei das Heizgerät (10) eine mit Verbrennungsluft und flüssigem Brennstoff zu speisende Brennkammerbaugruppe (12) sowie eine Brennstoffförderanordnung (16) zum Fördern von Brennstoff zu der Brennkammerbaugruppe (12) über eine Brennstoffzuführleitung (14) umfasst, wobei das Verfahren die Maßnahmen umfasst: a) Beim Starten des Heizgerätes (10), Ermitteln eines Brennstoffverlustvolumens (V_V1, V_V2), welches das seit dem letzten Betriebsende des Heizgeräts (10) bis zum Starten aus der Brennstoffzuführleitung (14) verlorene Brennstoffvolumen repräsentiert, b) vor dem Beginn eines Verbrennungsförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung (16) beim Starten des Heizgeräts (10), Durchführen eines Startvorförderbetriebs der Brennstoffförderanordnung (16) zum Fördern eines dem Brennstoffverlustvolumen (V_V1, V_V2) entsprechenden Brennstoffvolumens in die Brennstoffzuführleitung (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Brennstoffverlustvolumen (V_V1) auf der Grundlage der zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Heizgeräts (10) vergangen Zeit und eines Brennstoffverlustfaktors ermittelt wird, welcher das bei nicht erregter Brennstoffförderanordnung (16) pro Zeit aus der Brennstoffzuführleitung (14) entweichende Brennstoffvolumen repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Brennstoffverlustvolumen (V_V1) ermittelt wird als: VV1 = Δt·FV,wobei Δt das Zeitintervall zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Fahrzeugheizgeräts (10) ist, F_V der Brennstoffverlustfaktor der Brennstoffzuführleitung (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Brennstoffverlustvolumen (V_V2) auf der Grundlage des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Brennstoffs und der Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts (10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Brennstoffverlustvolumen (V_V2) auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Temperatur zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Heizgeräts (10) und der Temperatur beim Starten des Heizgeräts (10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verlustvolumen ermittelt wird als: VV2 = VL·y·(Tmax – TNB)·Kwenn gilt: T_max > T_NB, wobei: y der thermische Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffs ist, T_max die maximale Temperatur zwischen dem letzten Betriebsende und dem Starten des Fahrzeugheizgeräts (10) ist, T_NB die Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts (10) ist, V_L das berücksichtigte Volumen der Brennstoffzuführleitung (14) ist, K ein Korrekturfaktor ist, und wobei das zweite Verlustvolumen auf 0 gesetzt wird, wenn gilt: TNB = Tmax.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Brennstoffverlustvolumen (V_V2) auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur dem letzten Betriebsende (10) und der Temperatur beim Starten des Heizgeräts (10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verlustvolumen ermittelt wird als: VV2 = VL·y·(TBE – TTNB)·Kwenn gilt: T_BE > T_NB, wobei: y der thermische Ausdehnungskoeffizient des Brennstoffs ist, T_BE die Temperatur beim letzten Betriebsende das Fahrzeugheizgerät (10) ist, T_NB die Temperatur beim Starten des Fahrzeugheizgeräts (10) ist, V_L das berücksichtigte Volumen der Brennstoffzuführleitung (14) ist, K ein Korrekturfaktor ist, und wobei das zweite Verlustvolumen auf 0 gesetzt wird, wenn gilt: TNB > TBE.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 und einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das größere Brennstoffverlustvolumen von erstem Brennstoffverlustvolumen (V_V1) und zweitem Brennstoffverlustvolumen (V_V2) als Grundlage für den Startvorförderbetreib verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage des Brennstoffverlustvolumens (V_V1, V_V2) eine Brennstoffvorförderzeit für den Startvorförderbetrieb ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Brennstoffvorförderzeit größer ist, als die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs verbleibende Zeit, der Startvorförderbetrieb sofort begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Brennstoffvorförderzeit kleiner ist, als die bis zum Beginn des Verbrennungsförderbetriebs verbleibende Zeit, der Startvorförderbetrieb in einer ersten Vorförderphase mit einer ersten Vorförderrate durchgeführt wird und in einer zweiten Vorförderphase mit einer zweiten Vorförderrate durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorförderrate kleiner ist, als die erste Vorförderrate.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorförderrate im Wesentlichen einer für den Beginn des Verbrennungsförderbetriebs vorgesehenen Förderrate entspricht.