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Die Erfindung betrifft ein betriebsstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät mit einer Betriebsstoffzuführung und einer Verbrennungsluftzuführung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines betriebsstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes mit einer Betriebsstoffzuführung und einer Verbrennungsluftzuführung.
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Für Stand- und Zusatzheizanwendungen, zum Beispiel zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums, werden üblicherweise kleine, einen Brenner umfassende Heizgeräte verwendet, die zur Förderung von Verbrennungsluft und zur Förderung und Dosierung von einem flüssigen oder gasförmigen Betriebsstoff üblicherweise zwei unabhängige Systeme umfassen. Beispielsweise fördert ein Gebläse die notwendige Verbrennungsluft und eine Dosierpumpe den notwendigen flüssigen Betriebsstoff, wobei die beiden Systeme voneinander unabhängig von einem Steuergerät angesteuert und während des Betriebs des Heizgerätes, zum Beispiel während der Startphase, bei einem Lastwechsel oder beim Beenden des Betriebs, synchronisiert beziehungsweise aufeinander abgestimmt werden müssen. Die
DE 27 21 818 A1 beschreibt einen Brenner, bei dem ein als flüssiger Betriebsstoff dienender Kraftstoff verdampft und mit Verbrennungsluft gemischt wird. Der verdampfte Betriebsstoff und die Verbrennungsluft treten separat in eine Mischzone ein, wobei der nunmehr gasförmige Betriebsstoff einen höheren Druck als die zugeführte Verbrennungsluft aufweist, und wobei der gasförmige Betriebsstoff von der Verbrennungsluft aus der Mischzone herausgespült wird. Das Zuführen der Verbrennungsluft zu der Mischzone kann durch eine Strahlpumpe erfolgen, die weitere unter Atmosphärendruck stehende Verbrennungsluft mit Hilfe von einem unter einem Druck stehenden Strahl aus Verbrennungsluft ansaugt, der von einer als Gebläse wirkenden Luftpumpe erzeugt wird, so dass der in den Mischraum einströmende Verbrennungsluftstrom im Wesentlichen Normaldruck aufweist. Die Förderleistung des Gebläses ist dabei notwendigerweise auf die Nennleistung des Brenners abgestimmt, wobei dann insbesondere sehr kleine Heizleistungen nur schwer erreichbar sind, da eine zuverlässige Förderung der dann notwendigen sehr kleinen Luftmengen technisch problematisch ist.
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Nachteilig bei den bekannten Zusatzheizgeräten ist weiterhin der von der Förderung der Verbrennungsluft durch das elektrische Gebläse verursachte Energieverbrauch. Die von dem Gebläse verbrauchte Energiemenge liegt dabei aufgrund der Auslegung auf das für die Nennleistung des Heizgerätes notwendige Verbrennungsluftvolumen etwa um eine Größenordnung höher als die von der Betriebsstoffpumpe verbrauchte Energie. Das Gebläse belastet daher, insbesondere im Standbetrieb, die Batterie beziehungsweise das Bordnetz, wobei zugleich eine Absenkung der Heizleistung des Heizgerätes, zum Beispiel für das Erhaltungsheizen kleiner Fahrgasträume und in verbrauchsoptimierten Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, nicht oder nur schwer möglich ist, da dann nur geringe Verbrennungsluftmengen benötigt würden, weshalb die verfügbaren Heizgeräte hinsichtlich ihres Strom- und Brennstoffverbrauchs verhältnismäßig ineffizient sind. Weiterhin stellen das Gebläse des Heizgerätes und die zur Ansteuerung des Gebläses notwendige Elektronik einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor dar und das Gebläse vergrößert aufgrund des beanspruchten Bauraums das Heizgerät an sich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zur Anpassung der Heizleistung notwendiges Regelsystem möglichst einfach und robust auszuführen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Fahrzeugheizgerät dadurch auf, dass die Zuführung von Verbrennungsluft aus der Verbrennungsluftzuführung durch eine in der Betriebstoffzuführung angeordnete Strahlpumpe erfolgt, in der mit einem Betriebstoffstrahl eine Pumpwirkung erzeugt wird, durch die Verbrennungsluft aus der Verbrennungsluftzuführung angesaugt wird. Durch das Vorsehen einer Strahlpumpe wird die notwendige Verbrennungsluft beziehungsweise Brennluft von dem Betriebsstoff angesaugt, so dass insbesondere kleine Luftmengen kontinuierlich dem Verbrennungsprozess zugeführt werden können.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Verbrennungsluftzuführung kein eigenes Gebläse umfasst. Durch entsprechende Auslegung der Strahlpumpe kann dem Fahrzeugheizgerät Verbrennungsluft in ausreichendem Maße zugeführt werden, so dass die Verbrennungsluftzuführung selbst kein eigenes Gebläse mehr umfassen muss. Auf diese Weise wird der Aufbau des Fahrzeugheizgerätes vereinfacht und das von dem Fahrzeugheizgerät beanspruchte Volumen verringert, da beispielsweise auch auf einen Schalldämpfer zur Abschirmung von Gebläsegeräuschen im Ansaugtrakt verzichtet werden kann. Weiterhin wird die zum Betrieb des üblicherweise elektrisch betriebenen Gebläses notwendige Energie eingespart.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Heizleistung des Fahrzeugheizgerätes durch Variation der zugeführten Betriebsstoffmenge regelbar ist, wobei die zugeführte Verbrennungsluftmenge selbsttätig angepasst wird. Die Variation der zugeführten Betriebsstoffmenge beeinflusst auf natürliche Weise die von dem Fahrzeugheizgerät erbringbare Heizleistung, wobei die Menge der über die Strahlpumpe angesaugten Verbrennungsluft mit der zugeführten Betriebsstoffmenge korreliert.
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Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Betriebsstoffzuführung einen Verdampfer zum Verdampfen von zugeführtem flüssigen Betriebsstoff umfasst. Durch die Verwendung eines Verdampfers kann der Strahlpumpe ein flüssiger Betriebsstoff bereits gasförmig zugeführt werden, so dass ein besseres Mischen von Betriebsstoff und Verbrennungsluft im Bereich der Strahlpumpe erzielt werden kann. Weiterhin kann auf diese Weise die Saugleistung der Strahlpumpe erhöht werden, da die Impulsübertragung von dem zugeführten Kraftstoff auf die anzusaugende Brennluft verbessert wird.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Verdampfer von Verbrennungswärme und/oder von einer Heizeinrichtung beheizbar ist. Durch das Beheizen beziehungsweise das Zuführen von Wärme wird der in dem Verdampfer ablaufende Verdampfungsprozess erleichtert beziehungsweise erst ermöglicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebsstoffzuführung eine Betriebsstofffördereinrichtung umfasst. Auf diese Weise kann die zugeführte Betriebsstoffmenge kontrolliert werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeugheizgerät eine Abgasrückführung umfasst. Mit Hilfe der Abgasrückführung kann der in dem Fahrzeugheizgerät ablaufende Verbrennungsprozess optimiert werden, um den Schadstoffausstoß des Fahrzeugheizgerätes zu senken.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass in einem Strom des Abgases des Fahrzeugheizgerätes ein Sensor zum Erfassen von Schadstoffwerten angeordnet ist. Um den Schadstoffausstoß des Fahrzeugheizgerätes in jedem Betriebszustand möglichst niedrig zu halten, kann die von der Abgasrückführung zurückgeführte Abgasrate beispielsweise an die von dem Sensor erfasste Stickoxidkonzentration angepasst werden.
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Das gattungsgemäße Verfahren wird erfindungsgemäß dadurch weiterentwickelt, dass die Verbrennungsluft von dem zugeführten Betriebsstoff nach dem Strahlpumpenprinzip angesaugt wird. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerätes auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt.
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Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Dieses wird nützlicherweise dadurch weiterentwickelt, dass die Heizleistung des Fahrzeugheizgerätes über die Menge des zugeführten Betriebsstoffs geregelt wird, wobei die Menge zugeführter Verbrennungsluft selbsttätig angepasst wird.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass zuzuführender flüssiger Betriebsstoff in einem Verdampfer verdampft wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Verdampfer von Verbrennungswärme und/oder von einer Heizeinrichtung beheizt wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Teil eines in dem Fahrzeugheizgerät entstehenden Abgases der zuzuführenden Verbrennungsluft beigemischt wird.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerätes und
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerätes.
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In den Zeichnungen verwendete gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichartige Teile.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugheizgerätes. Das dargestellte Fahrzeugheizgerät 10 umfasst eine Betriebsstoffzuführung 12 und eine Verbrennungsluftzuführung 14, über die ein flüssiger Betriebsstoff 20 und Verbrennungsluft 22 in einen in einem Gehäuse 38 angeordneten Brennraum 48 geführt werden. Dabei wird der zugeführte Betriebsstoff 20 zunächst durch einen Verdampfer 18 geleitet, der im Inneren des Gehäuses 38 angeordnet ist und über eine Heizeinrichtung 24, die beispielsweise elektrisch ausgeführt sein kann, insbesondere während einer Startphase beheizbar ist beziehungsweise über bei der Verbrennung von Betriebsstoff 20 in dem Brennraum 48 freiwerdende thermische Energie beheizt wird, um den zugeführten flüssigen Betriebsstoff zu verdampfen. Der verdampfte Betriebsstoff 20 wird anschließend einer Strahlpumpe 16 zugeführt. Die Strahlpumpe 16 ist eine Pumpe, in der eine Pumpwirkung durch ein Treibmedium, in diesem Fall der Betriebsstoff 20, erzeugt wird, das durch Impulsaustausch ein anderes Medium, in diesem Fall die Brennluft 22 ansaugt, beschleunigt und fördert. Ein mehrstufiger Aufbau der Strahlpumpe 16 ist möglich, um die Saugwirkung zu verstärken. Der in der Strahlpumpe 16 austretende Betriebsstoff 20 saugt also die Verbrennungsluft 22 an, vermischt sich mit diesem und gelangt als ein brennbares Betriebsstoff-Luftgemisch in den Brennraum 48 und verbrennt dort in einer dargestellten Flammausbreitungsrichtung 42 nach seiner Zündung. Bei der Verbrennung entstehendes Abgas 44 wird über eine Abgasabführung 46 aus dem Gehäuse 38 abgeführt. Die Strahlpumpe 16 arbeitet nach dem an sich bekannten Prinzip eines atmosphärischen Brenners, wobei die Menge der zugeführten Verbrennungsluft 22 abhängig ist von der Menge des austretenden Betriebsstoffs 20. Der Betriebsstoff 20 wird unter Druck in den im Brennraum 48 angeordneten Verdampfer 18 gefördert, dort verdampft und der entstandene Betriebsstoffdampf über einen der Strahlpumpe 16 zugeordneten Injektor eingedüst. Der Betriebsstoffdampfstrahl saugt dabei Verbrennungsluft 22 aus der Verbrennungsluftzuführung 14 an und mischt sich im Injektorteil der Strahlpumpe 16 zu einem brennbaren Betriebsstoff-Luftgemisch, wobei durch die Strömungsverzögerung im Diffusorteil der Strahlpumpe 16 ein höherer Druck als in der Umgebung erreicht wird. Hierdurch wird die Zirkulation von Brennluft 22 und Abgas 44 in dem Fahrzeugheizgerät gestartet. Zum Start des Fahrzeugheizgerätes muss dabei zunächst ein ausreichend hoher Druck des Betriebsstoffes 20 vorhanden sein, um in der Strahlpumpe 16 einen ausreichend intensiven Strahl aus Betriebsstoff 20 zum Ansaugen der notwendigen Menge Brennluft 22 erzeugen zu können. Dies kann beispielsweise, insbesondere bei einem gasförmigen Betriebsstoff 20, mithilfe eines Drucktanks erreicht oder unterstützt werden, der den Betriebsstoff 20 bereits unter Druck vorhält. Die Betriebsstoffzuführung 12 wirkt dann auch als eine Dosiereinrichtung, wobei jedoch nach wie vor ein Verdampfer 18 zur Druckerhöhung durch das Vorwärmen beziehungsweise Verdampfen vorgesehen sein kann. Das Betriebsstoff-Luftgemisch verbrennt anschließend in den Brennraum 48 ein und verbrennt dort, wobei durch die kontinuierliche Zuführung des Betriebsstoff-Luftgemischs die Flamme im Brennraum 48 verbleibt. Bei der Verbrennung erfolgt ein weiterer Druckanstieg, der die entstandenen Abgase 44 durch die Abgasabführung 46 ausschiebt, wobei die Abgasabführung 46 insbesondere einen Wärmetauscher, einen Schalldämpfer und ein Abgasrohr umfassen kann. Über den Wärmetauscher ist dann beispielsweise ein Fahrgastraum des Fahrzeugs beheizbar. Das Abgasrohr kann aufgrund des bei der Verbrennung entstehenden Druckanstiegs und der durch die Strahlpumpe 16 vorgegebenen Strömungsrichtung auch ohne ein Abluftgebläse ausreichend lang dimensioniert werden, um die Abgasabführung 46 an das Fahrzeug anzupassen. Die bei der Verbrennung entstandene thermische Energie wird teilweise zum Betrieb des Verdampfers 18 verwandt. Das erfindungsgemäße Fahrzeugheizgerät ist insbesondere auch mit sehr geringen Heizleistungen betreibbar, bei denen nur eine geringere Menge an Betriebsstoff verbrannt wird, wie es beispielsweise bei einem Erhaltungsheizen eines Fahrgastraumes notwendig ist. Ein nicht mit derart geringen Heizleistungen betreibbares Fahrzeugheizgerät muss, um eine zumindest ähnliche Funktionalität erreichen zu können, zyklisch an- und ausgeschaltet werden, wobei zusätzliche elektrische Energie während der Startphasen verbraucht wird, oder einen Teil der erzeugten Wärme ungenutzt abführen, wodurch sich ein erhöhter Verbrauch von Betriebsstoff ergibt. Insofern besitz das erfindungsgemäße Fahrzeugheizgerät eine höhere Energieeffizienz bei geringeren Heizleistungen. Der zum Betrieb des Fahrzeugheizgerätes 10 notwendige Betriebsstoff 20 kann problemlos in einem separaten Tank, ähnlich einem Scheibenwaschwassertank, mitgeführt werden. Insbesondere sind leicht und rückstandsfrei zu verdampfende Flüssigkeiten, zum Beispiel Ethanol, als Betriebsstoff 20 geeignet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizgerätes. Neben den bereits aus der 1 bekannten Komponenten umfasst das in der 2 dargestellte Fahrzeugheizgerät 10 eine Zündeinrichtung 34, Leitelemente 36, eine Betriebsstofffördereinrichtung 26 und eine Abgasrückführung 28. Diese Komponenten können auch teilweise in die aus 1 bekannte Ausführungsform integriert werden. Die dargestellte Betriebsstofffördereinrichtung 26 ist als eine einfache Betriebsstoffpumpe ausgeführt und als solche Teil der Betriebsstoffzuführung 12. Die Betriebsstofffördereinrichtung 26 fördert Betriebsstoff 20 unter Druck zu dem Verdampfer 18. Eine Verringerung der Fördermenge führt zu einem geringeren Verdampfungsvolumen und damit zu einer Absenkung des Druckes im Verdampfer 18 und der nachgeordneten Strahlpumpe 16. Der ausgeblasene Betriebsstoffdampfstrahl wird in der Folge langsamer und saugt weniger Verbrennungsluft 22 an. Auf diese Weise kann das Betriebsstoff-Luft-Verhältnis in einem weiten Leistungsbereich des Fahrzeugheizgerätes 10, insbesondere bei sehr kleinen Heizleistungen, annähernd konstant gehalten werden. Eine weitere Steuerung/Regelung der zugeführten Verbrennungsluftmenge ist nicht notwendig. Der dargestellte Verdampfer 18 ist in der Nähe der sich in dem Brennraum 48 ausbildenden Flamme angeordnet, um den richtigen Wärmeeintrag und somit die richtige Temperatur zu gewährleisten. Der Verdampfer 18 kann insbesondere mit der Brennkammer 48 beziehungsweise mit der Strahlpumpe 16 integriert aufgeführt sein. Weiterhin kann der Verdampfer 18 mit Gaze, Watte oder einem Vlies gefüllt sein, um die in dem Verdampfer 18 stattfindende Verdampfung und/oder einen Siedeverzug zu kontrollieren. Das Volumen des Verdampfers 18 ist dabei vorzugsweise so groß gewählt, dass durch die Betriebsstofffördereinrichtung 26 verursachte Förderpulsationen effizient gedämpft werden. Beispielsweise kann das Volumen des Verdampfers 18 das Zehnfache oder mehr des Fördervolumens der Betriebsstofffördereinrichtung 26 pro Fördertakt betragen. In dem Verdampfer 18 kann für den Start des Fahrzeugheizgerätes eine beispielsweise über eine Stromversorgung 50 elektrisch betreibbare Heizeinrichtung 24 integriert werden. Beim Start des Fahrzeugheizgerätes 10 initiiert der zuerst verdampfende und der Strahlpumpe 16 zugeführte Betriebsstoff 20 die Verbrennungsluftförderung, so dass ein brennbares Betriebsstoff-Luftgemisch in den Brennraum 48 bis zu dem Zündelement 34 gelangt. Sobald das Zündelement 34 die Flamme gezündet hat, die sich in der Flammausbreitungsrichtung 42 im Inneren des Brennraumes 48 ausbreitet, können das Zündelement 34 und die Heizeinrichtung 24 abgestellt beziehungsweise reduziert werden, da der Verdampfer 18 von der Flamme beheizt wird. Der durch die Flamme beheizte Verdampfer 18 erhält diesen Betriebszustand des Systems aufrecht, solange von der Betriebsstofffördereinrichtung 26 Betriebsstoff 20 gefördert wird. Beim Abschalten des Fahrzeugheizgerätes 10, das heißt bei einer Einstellung der Betriebsstoffförderung durch die Betriebsstofffördereinrichtung 26, wird der in dem noch heißen Verdampfer 18 befindliche Betriebsstoff 20 verdampft und verbrennt in dem Brennraum 48 bevor die Flamme erlischt. Die Strahlpumpe 16 kann zur Vorwärmung und insbesondere zur Schadstoffemissionskontrolle im Rahmen einer Abgasrückführung 28 mit Durchbrüchen 40 versehen sein. Die Durchbrüche 40 können sowohl im Bereich der Verbrennungsluftansaugung, das heißt im Bereich des Betriebsstoffaustritts, als auch weiter stromabwärts angeordnet sein und verschließbar beziehungsweise mit einer variablen Öffnungsfläche ausgeführt sein. Die über die Abgasrückführung 28 zugeführte Abgasmenge kann dann durch Veränderung der Öffnungsfläche der Durchbrüche 40 variiert werden, um über einen Sensor 32 gemessene Schadstoffemissionswerte zu optimieren. Zur Stabilisierung der in dem Brennraum 48 ausgebildeten Flamme kann die Zuführung des Betriebsstoffdampfes und der Verbrennungsluft mit einem Drall erfolgen. Weiterhin können in dem Brennraum 48 Einbauten in Form von Leitelementen 36 zur Flammenstabilisierung angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugheizgerät
- 12
- Betriebsstoffzuführung
- 14
- Verbrennungsluftzuführung
- 16
- Strahlpumpe
- 18
- Verdampfer
- 20
- Betriebsstoff
- 22
- Verbrennungsluft
- 24
- Heizeinrichtung
- 26
- Betriebsstofffördereinrichtung
- 28
- Abgasrückführung
- 32
- Sensor
- 34
- Zündeinrichtung
- 36
- Leitelement
- 38
- Gehäuse
- 40
- Durchbruch
- 42
- Flammausbreitungsrichtung
- 44
- Abgas
- 46
- Abgasabführung
- 48
- Brennraum
- 50
- Stromversorgung
