DE102009005906A1

DE102009005906A1 - Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugheizgerätes

Info

Publication number: DE102009005906A1
Application number: DE102009005906A
Authority: DE
Inventors: Michael Humburg; Erwin Burner
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-24
Also published as: DE102009005906B4

Abstract

Eine Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät umfasst ein Brennkammergehäuse (14) mit einer darin ausgebildeten Brennkammer (26), eine Verbrennungszustandserfassungsanordnung (36) zur Bereitstellung von den Verbrennungszustand in der Brennkammer (26) repräsentierender Information, wobei die Verbrennungszustandserfassungsanordnung (36) eine Photosensoranordnung (38) mit wenigstens zwei Photosensoreinheiten (44, 46) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer derartigen Brennkammerbaugruppe ausgestatteten Fahrzeugheizgerätes.
Aufgrund der immer strenger werdenden Anforderungen hinsichtlich der Schadstoffemission bei mit Brennstoff, also Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Benzin oder Diesel, betriebenen Fahrzeugheizgeräten kommt der korrekten Einstellung des Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnisses immer größere Bedeutung zu. Eine mit Brennstoffüberschuss, also einem Sauerstoffdefizit, durchgeführte Verbrennung führt beispielsweise zu erhöhten Emissionen von CO, HC und Ruß. Dies kann zu irreversiblen Verkokungen bzw. Rückständen in der Brennkammer führen, die die Betriebscharakteristik eines derartigen Fahrzeugheizgeräts nachteilhaft beeinträchtigen können bzw. sogar zum Ausfall führen können. Um diesem Problem entgegenzutreten, könnte, ähnlich wie bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einer sogenannten Lambda-Regelung unter Einsatz einer Lambda-Sonde im Abgasstrom versucht werden, das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis in einem geeigneten Bereich zu halten. Der Einsatz einer derartigen Lambda-Sonde ist jedoch sehr kostenintensiv und erfährt daher im Bereich von Fahrzeugheizgeräten praktisch keine Akzeptanz.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugheizgerätes bereitzustellen, mit welchen in einfacher und kostengünstiger Art und Weise zuverlässig Information über den Verbrennungszustand bereitgestellt und dementsprechend ein Fahrzeugheizgerät betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät, umfassend ein Brennkammergehäuse mit einer darin ausgebildeten Brennkammer, eine Verbrennungszustandserfassungsanordnung zur Bereitstellung von den Verbrennungszustand in der Brennkammer repräsentierender Information, wobei die Verbrennungszustandserfassungsanordnung eine Photosensoranordnung mit wenigstens zwei Photosensoreinheiten mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umfasst.
Die bei der erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammerbaugruppe eingesetzte Verbrennungszustandserfassungsanordnung ist aufgrund der Verwendung von Photosensoreinheiten einerseits sehr kostengünstig realisierbar. Andererseits ermöglicht die optische Beobachtung des Verbrennungszustands in der Brennkammer unmittelbar und praktisch ohne Verzögerung einen Rückschluss auf die in der Brennkammer ablaufende Verbrennung, also beispielsweise, ob diese mit Sauerstoffüberschuss oder Sauerstoffdefizit abläuft, was aufgrund der unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten der Photosensoreinheiten zuverlässig erkannt werden kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Photosensoreinheiten jeweils einen Photodetektor mit zugeordnetem Farbfilter umfassen, wobei die Farbfilter von wenigstens zwei Photosensoreinheiten ein zueinander unterschiedliches spektrales Transmissionsverhalten aufweisen. Durch den Einsatz verschiedener Farbfilter in Zuordnung zu den Photodetektoren wird es sehr leicht möglich, deren Ansprechverhalten auf jeweils gewünschte Spektralbereiche abzustimmen.
Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass einer der Farbfilter im Wesentlichen nur für Licht im blauen Spektralbereich durchlässig ist und der andere Farbfilter im Wesentlichen nur für Licht im gelben Spektralbereich durchlässig ist. Die Abstimmung auf den blauen Spektralbereich bzw. den gelben Spektralbereich ist daher besonders vorteilhaft, da eine Flamme mit hohem Blauanteil indiziert, dass ein hoher Sauerstoffanteil zur Verfügung steht, während eine Flamme mit hohem Gelbanteil ein Sauerstoffdefizit indiziert.
Die Photodetektoren können beispielsweise als Photowiderstände ausgebildet sein, was den Einsatz sehr zuverlässig arbeitender und gleichzeitig kostengünstig zu realisierender Bauteile ermöglicht.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Photosensoranordnung den Verbrennungszustand in der Brennkammer von einem Bodenbereich des Brennkammergehäuses her erfasst.
Um dies in einfacher Weise zu realisieren, wird vorgeschlagen, dass am Bodenbereich des Brennkammergehäuses eine Verbrennungsluftzuführkanalanordnung vorgesehen ist und dass die Photosensoranordnung an einer Kanalwandung der Verbrennungsluftzuführkanalanordnung vorgesehen ist.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugheizgerätes mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammerbaugruppe, wobei in Abhängigkeit von der durch die Verbrennungszustandserfassungsanordnung bereitgestellten Information über den Verbrennungszustand in der Brennkammer eine Verbrennungsluftfördermenge und/oder eine Brennstofffördermenge eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende 1 detailliert erläutert. Diese zeigt in prinzipartiger Darstellung ein Fahrzeugheizgerät mit einer Brennkammerbaugruppe.
In der 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichnetes Fahrzeugheizgerät hinsichtlich der für die vorliegende Erfindung relevanten Aspekte in prinzipartiger Darstellung gezeigt. Das Fahrzeugheizgerät 10 umfasst eine Brennkammerbaugruppe 12 mit einem Brennkammergehäuse 14. Dieses Brennkammergehäuse 14 umfasst eine Umfangswandung 16, die beispielsweise integral übergehen kann in ein Flammrohr 18, sowie eine Bodenwan dung 20, die mit der Umfangswandung 16 integral ausgebildet oder an dieser festgelegt sein kann. An der Bodenwandung 20 ist ein Verbrennungslufteinlassansatz 22 vorgesehen, über welchen die durch eine Verbrennungsluftzuführkanalanordnung 24 zugeführte Verbrennungsluft, beispielsweise gefördert durch ein Seitenkanalgebläse oder dergleichen, in eine im Brennkammergehäuse 14 gebildete Brennkammer 26 eingeleitet wird. Die Verbrennungsluftzuführkanalanordnung 24 ist dabei also im Bodenbereich des Brennkammergehäuses 14 angeordnet.
Eine Wärmetauscherbaugruppe 28 umgibt mit zwei ineinander geschachtelten Wärmetauschergehäusen 30, 32 die Brennkammerbaugruppe 12. Zwischen den beiden Wärmetauschergehäusen 30, 32 ist ein Strömungsraum 34 für das zu erwärmende Medium, also beispielsweise Wasser oder Luft, gebildet. Die bei der Verbrennung in der Brennkammer 26 entstehenden und aus dem Flammrohr 18 austretenden heißen Verbrennungsabgase treffen auf das innere Wärmetauschergehäuse 30 auf und strömen in einem zwischen diesem und der Außenseite des Flammrohrs 18 gebildeten ringartigen Strömungsraum zu einem in der 1 nicht dargestellten Abgasauslass.
Die Brennstoffzufuhr erfolgt im Allgemeinen durch eine oder mehrere in der 1 nicht dargestellte Brennstoffleitungen, die flüssigen Brennstoff, also beispielsweise Benzin oder Diesel, in Richtung Brennkammer 26 leiten. Der Brennstoff kann beispielsweise von einer mit einem Hubkolben arbeitenden und in der 1 nicht dargestellten Dosierpumpe aus einem Brennstoffreservoir gefördert werden. Dabei kann die Umfangswandung 16 oder/und die Bodenwandung 20 zumindest bereichsweise mit porösem Verdampfermedium überdeckt werden, welches den flüssigen Brennstoff aufnimmt, ihn durch Kapillarförderwirkung verteilt und in Richtung Brennkammer 26 abdampft. Diese Brennstoffabdampfung kann durch eine in der 1 nicht dargestellte elektrisch erregbare Heizeinrichtung unterstützt werden. In der Brennkammer 26 wird aus dem Brennstoffdampf und der Verbrennungsluft ein zündfähiges Gemisch gebildet, das durch ein Zündorgan, also beispielsweise einen Glühstift oder dergleichen, gezündet werden kann, um die Verbrennung zu starten.
Um Information über den Verbrennungszustand in der Brennkammer 26 zu erlangen, wird die bei der Verbrennung entstehende Flamme F, die sich bis in das Flammrohr 18 erstrecken kann, durch eine allgemein mit 36 bezeichnete Verbrennungszustandserfassungsanordnung beobachtet. Die Verbrennungszustandserfassungsanordnung 36 beobachtet dabei die Flamme F, also den Verbrennungszustand, vom Bodenbereich des Brennkammergehäuses 14 her, also durch die im Bereich des Ansatzes 22 in der Bodenwandung 20 gebildete Öffnung hindurch. Die Verbrennungszustandserfassungsanordnung 36 umfasst eine Photosensoranordnung 38 mit zwei in einem gemeinsamen Träger 40 an einer der Bodenwandung 20 gegenüberliegenden Wandung 42 der Kanalanordnung 24 getragenen Photosensoreinheiten 44, 46.
Jede der Photosensoreinheiten 44, 46 umfasst einen beispielsweise als Photowiderstand ausgebildeten Photodetektor 48, 50 mit einem diesem zugeordneten bzw. vorgeschalteten Farbfilter 52, 54. Während die beiden Photodetektoren, also Photowiderstände, grundsätzlich baugleich sein können, hier können beispielsweise Cadmiumsulfid-Widerstände eingesetzt werden, die den sichtbaren Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums erfassen, sind die Farbfilter 52, 54 zueinander unterschiedlich, weisen also hinsichtlich des durchgelassenen Spektralbereichs unterschiedliches Transmissionsverhalten auf. Beispielsweise kann der Farbfilter 52 so beschaffen sein, dass er primär Licht im blauen Spektralbereich, also im Bereich einer Wellenlänge von etwa 430 nm transmittiert und für Licht außerhalb dieses Spektralbereichs im Wesentlichen nicht durchlässig ist, während der Farbfilter 54 primär für Licht im gelben Spektralbereich, also bei einer Wellenlänge von etwa 590 nm, durchlässig ist und für Licht außerhalb dieses Spektralbereichs im Wesentlichen nicht durchlässig ist. Hier kann also beispielsweise jeweils ein Band im sichtbaren Spektralbereich mit einer Breite von etwa 20 bis 40 nm um einen derartigen Wellenlängenwert gewählt werden, um den Spektralbereich zu definieren, in welchem eine jeweilige Photosensoreinheit empfindlich ist.
Die beiden Photosensoreinheiten 44, 46 sind grundsätzlich so angeordnet, dass sie näherungsweise den gleichen Raumbereich in der Brennnkammer 26 beobachten und somit auch Information über den Verbrennungszustand in diesem Raumbereich liefern. Je nachdem, welcher Verbrennungszustand vorliegt, werden die Photodetektoren 48, 50 entsprechende Signale liefern. Liegt beispielsweise eine Verbrennung mit hohem Sauerstoffanteil vor, so enthält die Flamme F einen hohen Blauanteil, was entsprechend dazu führt, dass aufgrund der Tatsache, dass der Farbfilter 52 blaues Licht bevorzugt transmittiert, der Widerstand des Photodetektors 48 abnimmt bzw. in einem vergleichsweise niedrigen Bereich ist. Läuft die Verbrennung unter Sauerstoffdefizit ab, wird die Flamme F einen hohen Gelbanteil aufweisen, so dass aufgrund des Transmissionsverhaltens des Farbfilters 54 entsprechend der Widerstand des Photodetektors 50 abnehmen bzw. in einem niedrigen Bereich liegen wird.
Durch die Beobachtung der Flamme F mit zwei Photosensoreinheiten 44, 46 in verschiedenen Spektralbereichen wird es also möglich, Intensitätsverschiebungen im Spektrum zu erkennen, die auf eine Veränderung des Verbrennungszustandes hindeuten. Ebenso ist es selbstverständlich auch möglich, Änderungen im Verbrennungszustand zu erkennen, die sich in der Stärke der ablaufenden Verbrennung widerspiegeln, was im Allgemeinen nicht primär zu einer Intensitätsverschiebung innerhalb der Spektralbereiche, sondern einer generellen Zunahme oder Abnahme der Intensität führt.
Durch den Einsatz der Photosensoranordnung 38 wird es also möglich, Information über den Verbrennungszustand, also nicht nur die Verbrennungsintensität, sondern auch den Ablauf der Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss oder Sauerstoffdefizit, zu erhalten. Diese Information kann in einer in der 1 nicht dargestellten Ansteuervorrichtung für das Fahrzeugheizgerät 10 dazu genutzt werden, durch Beeinflussung der Verbren nungsluftfördermenge bzw. der Brennstofffördermenge dafür zu sorgen, dass die Verbrennung im gewünschten Zustand mit möglichst geringem Schadstoffausstoß und auch mit der für eine erforderliche Heizleistung gewünschten Intensität abläuft. Wird also durch Auswertung der Sensorsignale erkannt, dass zu wenig Sauerstoff zur Verfügung steht, kann beispielsweise die Verbrennungsluftfördermenge erhöht werden oder die Brennstofffördermenge gesenkt werden, je nachdem, ob bzw. in welcher Richtung möglicherweise die Heizleistung verschoben werden soll. Entsprechend kann auch dann vorgegangen werden, wenn ein Verbrennungsluftüberschuss bzw. ein Brennstoffdefizit erkannt wird. Neben dieser Funktionalität wird es auch möglich, das von zumindest einem der Photodetektoren 48 bzw. 50 gelieferte Signal zur Flammerkennung zu nutzen, also grundsätzlich zu entscheiden, ob eine Verbrennung aufgetreten ist oder nicht. Dies ist insbesondere in der Startphase von Vorteil, da damit entschieden werden kann, dass die Zündung unterstützende Maßnahmen, wie zum Beispiel das Erregen eines Zündorgans, beendet werden können. Zusätzliche Sensoren, beispielsweise die Temperatur des Abgasstroms erfassende Sensoren, sind dann nicht mehr erforderlich.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, in einfacher und kostengünstiger Art und Weise dafür zu sorgen, dass die in einer Brennkammer ablaufende Verbrennung bei einem Fahrzeugheizgerät auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen immer mit möglichst geringem Schadstoffausstoß abläuft. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise bei sich änderndem Sauerstoffanteil in der Luft, wie dies beim Überfahren eines Bergpasses der Fall sein kann, eine Verschiebung des Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnisses auftreten würde.

Claims

Brennkammerbaugruppe für ein Fahrzeugheizgerät, umfassend ein Brennkammergehäuse (14) mit einer darin ausgebildeten Brennkammer (26), eine Verbrennungszustandserfassungsanordnung (36) zur Bereitstellung von den Verbrennungszustand in der Brennkammer (26) repräsentierender Information, wobei die Verbrennungszustandserfassungsanordnung (36) eine Photosensoranordnung (38) mit wenigstens zwei Photosensoreinheiten (44, 46) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit umfasst.
Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Photosensoreinheiten (44, 46) jeweils einen Photodetektor (48, 50) mit zugeordnetem Farbfilter (52, 54) umfassen, wobei die Farbfilter (52, 54) von wenigstens zwei Photosensoreinheiten (44, 46) ein zueinander unterschiedliches spektrales Transmissionsverhalten aufweisen.
Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Farbfilter (52) im Wesentlichen nur für Licht im blauen Spektralbereich durchlässig ist und der andere Farbfilter (54) im Wesentlichen nur für Licht im gelben Spektralbereich durchlässig ist.
Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoren (48, 50) als Photowiderstände ausgebildet sind.
Brennkammerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photosensoranordnung (38) den Verbrennungszustand in der Brennkammer (26) von einem Bodenbereich des Brennkammergehäuses (14) her erfasst.
Brennkammerbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Bodenbereich des Brennkammergehäuses (14) eine Verbrennungsluftzuführkanalanordnung (24) vorgesehen ist und dass die Photosensoranordnung (38) an einer Kanalwandung (42) der Verbrennungsluftzuführkanalanordnung (24) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugheizgeräts mit einer Brennkammerbaugruppe (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von der durch die Verbrennungszustandserfassungsanordnung (36) bereitgestellten Information über den Verbrennungszustand in der Brennkammer (26) eine Verbrennungsluftfördermenge oder/und eine Brennstofffördermenge eingestellt werden.