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Die
vorlegende Erfindung betrifft ein mobiles Heizgerät. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein mobiles Heizgerät mit einem
Injektor zur Zuführung
eines Brennstoff-Brennluft-Gemisches
zu einer Kammer, der derart ausgebildet ist, dass in dem Injektor
ein Brennstoff-Treibstrahl erzeugbar ist und durch den Brennstoff-Treibstrahl
Brennluft zur Erzeugung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches ansaugbar
ist.
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Heizgeräte für mobile
Anwendungen (im Folgenden: mobile Heizgeräte) werden insbesondere im Fahrzeugbereich
als Stand- oder Zuheizer eingesetzt. Standheizer (bzw. Standheizungen)
sind sowohl bei ruhendem als auch bei laufendem Fahrzeugmotor betreibbar,
während
Zuheizer nur bei laufendem Fahrzeugmotor betreibbar sind.
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Es
sind mobile Heizgeräte
bekannt, in denen zur Erzeugung von Heizwärme Brennstoff mit Brennluft
in einer flammenden Verbrennung umgesetzt wird. Hierfür weisen
solche mobilen Heizgeräte
in der Regel eine Brennkammer auf, in der die Umsetzung in einer
flammenden Verbrennung erfolgt. Es ist bekannt, derartige mobile
Heizgeräte
mit flüssigen Brennstoffen,
wie z. B. Diesel, Benzin oder Ethanol, oder mit gasförmigen Brennstoffen
zu betreiben.
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Bei
den bekannten mobilen Heizgeräten werden
in der Regel für
die Brennluftzuführung
und die Zuführung
und Dosierung des Brennstoffes zwei verschiedene Födereinrichtungen
eingesetzt, die unabhängig
voneinander ansteuerbar sind. Es ist z. B. in der Regel ein Brennluftgeblase
als eine Fördereinrichtung
für Brennluft
vorgesehen.
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Die
bei den bekannten mobilen Heizgeräten üblicherweise vorgesehenen Fördereinrichtungen
für Brennluft,
wie z. B. Brennluftgebläse,
haben einen relativ großen
Platzbedarf und benötigen
im Betrieb oftmals eine nicht unbeträchtliche Menge an elektrischer
Energie, die für
einen Gebläsemotor
zur Verfügung
gestellt werden muss. Um einen effizienten Betrieb sicherzustellen
werden häufig
sowohl die Brennstoffzufuhr als auch die Brennluftzufuhr angesteuert,
um das gewünschte
Mischungsverhältnis des
Brennstoff-Brennluft-Gemisches zu erzielen.
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Eine
alternative Gestaltung von mobilen Heizgeräten stellen sogenannte Injektorbrenner
dar, bei denen in einem Injektor ein Brennstoff-Treibstrahl bereitgestellt
wird, der mit hoher Geschwindigkeit durch einen Brennstoff-Austritt
austritt und die zur Erzeugung eines Brennstoff-Brennluft-Gemisches
benötigte
Brennluft nach dem Prinzip einer Strahlpumpe ansaugt. Die Brennluft
wird dabei mit dem austretenden Brennstoff unter Bildung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
vermischt und anschließend
erfolgt eine Umsetzung von Brennstoff und Brennluft unter Freisetzung
von Heizwärme.
Bei einer entsprechenden Gestaltung der Geometrie des Injektors
und der Kammer, in der die Umsetzung von Brennstoff und Brennluft
erfolgt, kann bei der Mischung und Diffusion des Gemischs eine Druckerhöhung erzielt
werden, die zum Ausstoß des
bei der Umsetzung entstehenden Abgases durch eine Abgasanlage ausreicht.
Derartige Injektorbrenner können
sowohl für
gasförmige
als auch für
flüssige Brennstoffe
zum Einsatz kommen.
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In
dem Fall, dass ein derartiger Injektorbrenner mit einem flüssigen Brennstoff,
wie z. B. Ethanol, Benzin oder Diesel, betrieben werden soll, muss
zunächst
aus dem flüssigen
Brennstoffein geeigneter Brennstoff-Treibstrahl aufbereitet werden.
Die Aufbereitung des Brennstoff-Treibstrahls kann z. B. über einen
Verdampferbereich erfolgen, in dem der flüssige Brennstoff unter Zufuhr
von Wärme
verdampft wird. Durch eine entsprechende Auslegung des Verdampfers
und der Zuführung
des flüssigen
Brennstoffs zu dem Verdampfer (z. B. über eine Brennstoffpumpe) sowie
des Brennstoff-Austritts in dem Injektor kann erreicht werden, dass
sich in dem Bereich des Injektors durch das Verdampfen des flüssigen Brennstoffs und
den entstehenden Druck der gewünschte
Brennstoff-Treibstrahl ausbildet.
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Das
mobile Heizgerät
kann dabei so ausgelegt werden, dass die für den Verdampfungsprozess in
dem Verdampferbereich erforderliche Wärme bei laufendem Verbrennungsprozess
in der Brennkammer durch die freigesetzte Heizwärme bereitgestellt wird. Bei
einer Realisierung für
flüssigen
Brennstoff müssen
für einen
Startvorgang allerdings besondere Vorkehrungen getroffen werden.
Es ist zunächst
aus dem flüssigen
Brennstoff ein gasförmiger
Brennstoff-Treibstrahl
aufzubereiten, um die Ansaugung der Brennluft und die Abgasförderung
zu initiieren. In dem Bereich des Verdampfers steht bei dem Startvorgang
noch keine bzw. noch keine ausreichende Heizwärme von der Brennkammer zur
Verfügung. Die
für den
Startvorgang erforderliche Wärmezufuhr im
Verdampferbereich kann z. B. über
ein elektrisches Heizelement bereitgestellt werden. Vor dem Förderbeginn
des Brennstoffs wird der Verdampferbereich durch dieses Heizelement
auf eine vorgegebene Starttemperatur vorgeheizt. Bei Förderbeginn des
Brennstoffs verdampft dieser sofort im heißen Verdampferbereich und es
entsteht spontan der notwendige von der Brennstoff-Fördereinrichtung
gegengehaltene Druck. Der in dieser Weise zur Verfügung gestellte
Dampf wird durch eine Düse
in den Injektor beschleunigt und initiiert dort die Brennluft- und Abgasförderung.
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Zum
Starten der Reaktion des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in der Kammer,
in der die Umsetzung erfolgt, ist ebenfalls anfänglich eine Wärmezufuhr
erforderlich. Bei einem mobilen Heizgerät, das für eine flammende Umsetzung
ausgelegt ist, muss das in die Kammer eintretende Gemisch durch eine
Zündquelle
zumindest lokal über
die Entflammtemperatur erhitzt werden. Bei einem mobilen Heizgerät für einen
Einbau in einem Kraftfahrzeug kann dies z. B. durch den Einsatz
eines Glühstiftes
erfolgen, der elektrisch an einer in die Kammer ragenden Spitze
mit hohen Temperaturen zum Glühen
gebracht wird. Dieser Zustand muss parallel bei dem Eintreten des
Brennstoff-Brennluft-Gemisches in die Kammer bereits erreicht sein.
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Nach
dem Startvorgang ist zur Kontrolle der Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemischs
ein sogenannter Flammwächter
erforderlich, mit dem bestimmt werden kann, ob die Umsetzung ordnungsgemäß erfolgt.
Dies kann z. B. über
das Auswerten des temperaturabhängigen
Widerstands eines Elements mit PTC-Verhalten (positive temperature
coefficient) erfolgen. Für
diese Funktion kann z. B. ein dem Glühstift im Aufbau ähnliches
Bauteil verwendet werden. Es ist in Bezug auf mobile Heizgeräte auch
bekannt, einen Glühstift
sowohl zum Zünden
des Gemischs bei dem Startvorgang als auch im anschließenden Betrieb
als Flammwächter
zu verwenden.
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Es
hat sich gezeigt, dass die gleichzeitige Stromaufnahme von Heizelementen
für einen
Verdampferbereich und für
eine Umsetzungskammer insbesondere bei einer Anwendung in einem
Fahrzeug ein Fahrzeugbordnetz durch einen Strompeak in problematischer
Weise belasten kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein mobiles Heizgerät bereitzustellen, das mit
flüssigem
Brennstoff betreibbar ist, einen kompakten Aufbau mit wenigen Bauteilen
aufweist, einen effizienten Betrieb auch bei niedriger Leistung
ermöglicht
und eine niedrige elektrische Energieaufnahme aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch ein mobiles Heizgerät mit einer Kammer zur Umsetzung
von Brennstoff mit Brennluft, um Heizwärme bereitzustellen, nach Anspruch
1 gelöst.
Das mobile Heizgerät
weist auf eine Brennstoffzuführung
zur Zuführung
flüssigen Brennstoffs
zu einem Verdampferbereich zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs; einen Injektor
zur Zuführung
eines Brennstoff-Brennluft-Gemisches zu der Kammer, wobei der Injektor
mit einer Brennluftzuführung
und dem Verdampferbereich verbunden ist und derart ausgebildet ist,
dass in dem Injektor ein Brennstoff-Treibstrahl erzeugbar ist und
durch den Brennstoff-Treibstrahl Brennluft zur Erzeugung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
ansaugbar ist; und ein elektrisches Heizelement, das derart ausgebildet ist,
dass sowohl die Kammer als auch der Verdampferbereich beheizbar
sind.
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Dadurch,
dass das elektrische Heizelement dazu ausgebildet ist, sowohl die
Kammer als auch den Verdampferbereich zu beheizen, können insbesondere
bei einem Startvorgang des mobilen Heizgeräts die erforderliche Beheizung
des Verdampferbereichs und die Wärmezufuhr
für einen
Reaktionsstart des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in der Kammer mit
einem Element erfolgen. Somit wird mit nur einem Bauteil kostengünstig und
effizient eine Doppelfunktion erzielt. Die Beheizung der Kammer
und des Verdampferbereichs wird dabei mit niedriger elektrischer Leistungsaufnahme
erreicht, die gegenüber
separaten Heizelementen deutlich reduziert ist. Aufgrund der Ausgestaltung
als nur ein Bauteil wird eine vereinfachte Ansteuerung des elektrischen
Heizelements mit nur einer Endstufe (hardwareseitig) und nur einem
Ablaufprofil (softwareseitig) erreicht. Nach der Ausbildung einer
stabilen Reaktion des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in der Kammer
ist die für den
Verdampfungsprozess zur Verfügung
stehende Wärme
ausreichend, sodass die Temperatur des Heizelements in der Kammer
und in dem Verdampfungsbereich gleichzeitig zurückgefahren werden kann.
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Durch
den Einsatz eines Injektors sind eine vollständige Vermischung von gasförmigem Brennstoff
und Brennluft auf kleinstem Raum und damit eine gleichmäßige Gemischkonzentration
erzielbar. Durch die in dem Injektor aufgrund des Brennstoff-Treibstrahls
erzeugte Sogwirkung zur Ansaugung von Brennluft ist ein separates
Brennluft-Gebläse
zur Zuführung
von Brennluft nicht erforderlich. Dementsprechend können Raum,
Kosten und Steuerungsaufwand, die für die Vorsehung und Ansteuerung
eines Brennluft-Gebläses
erforderlich wären, eingespart
werden. Dies führt
ferner auch zu einer Verringerung der elektrischen Energieaufnahme. Ferner
kann die Form des Injektors derart gewählt werden, dass über einen
weiten Brennstoff-Förderbereich
die entsprechend angesaugte Brennluftmenge eine geeignete Gemischkonzentration
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches ergibt. In diesem Fall kann auf
eine Regelungseinrichtung, wie beispielsweise ein Brennluft-Ventil,
durch das die Zufuhr von Brennluft an den Injektor einstellbar ist,
verzichtet werden. Ein derartiger Injektor ermöglicht eine breite Leistungsspreizung
bei beherrschten Umsetzungsbedingungen sowie auch einen effizienten
Betrieb in einem niedrigen Leistungsbereich.
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Unter
einem „mobilen
Heizgerät” wird in
diesem Zusammenhang ein Heizgerät
verstanden, das für
den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend
angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass es transportabel
ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport
darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dauerhaften, stationären Einsatz,
wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall
ist, ausgelegt ist. Dabei kann das mobile Heizgerät auch fest
in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in
einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere ist es zur Beheizung
eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser-
oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise
auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt. Das
mobile Heizgerät
kann auch vorübergehend
stationär
eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Container (zum
Beispiel Baucontainern), etc.. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
ist das mobile Heizgerät
als Stand- oder Zuheizer für
ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil,
einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
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Mit „Injektor”, der auch
als Strahlpumpe bezeichnet wird, wird insbesondere auf eine Vorrichtung
Bezug genommen, in der ein Fluidstrahl (hier Brennstoff-Treibstrahl)
erzeugbar ist und bei der aufgrund eines Impulsaustausches zwischen
dem Fluidstrahl und einem zweiten Medium, das in dem Bereich des
Fluidstrahls zugeführt
wird, das zweite Medium (hier Brennluft) ansaugbar und förderbar
ist. Vielfach wird in dem Injektor eine Düse zur Erzeugung des Fluidstrahls
eingesetzt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in dem Injektor ein Brennstoff-Treibstrahl aus gasförmigem Brennstoff
erzeugt. Es wird flüssiger
Brennstoff, der vor Zuführung in
den Injektor in einem Verdampferbereich verdampft wird, eingesetzt.
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Ein ”Verdampferbereich” wird durch
einen Bereich gebildet, dem flüssiger
Brennstoff z. B. von einer Brennstofffördereinrichtung, wie z. B.
einer Brennstoffpumpe, zuführbar
ist und in dem der flüssige
Brennstoff unter Wärmeaufnahme
verdampfbar ist. Der Verdampferbereich kann beispielsweise mit einer
großen
Fläche
thermisch an die Kammer gekoppelt sein, in der die Umsetzung des
Brennstoff-Brennluft-Gemisches erfolgt, um die für die Verdampfung benötigte Wärme bereitzustellen.
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Eine „Brennluftzuführung” ist unter
anderem dadurch realisierbar, dass ein entsprechender Anschluss
des Injektors an einer ausreichend verfügbaren Menge an Brennluft angeschlossen
ist. Dabei kann der Injektor beispielsweise an eine Brennluft-Leitung,
an Außenluft
oder an einen Brennluft-Tank direkt oder über weitere Fluid-Führungselemente
(Ventile, Rohrleitungen, etc.) angeschlossen sein. Vorzugsweise
wird dem Injektor Luft, insbesondere Außenluft, zugeführt.
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Die
Kammer, in der die Umsetzung von Brennstoff und Brennluft erfolgt,
um Heizwärme
bereitzustellen, kann dabei in bekannter Weise als eine Brennkammer
ausgebildet sein, in der die Umsetzung von Brennstoff und Brennluft
in einer flammenden Verbrennung erfolgt. Es ist jedoch z. B. auch möglich, dass
in der Kammer ein Katalysator angeordnet ist, an dem die Umsetzung
in einer vollkatalytischen Oxidation erfolgt, bei der Brennstoff
mit Brennluft (insbesondere mit darin enthaltenem Sauerstoff) flammlos
umgesetzt (oxidiert) wird.
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Bevorzugt
ist das elektrische Heizelement dazu ausgebildet, in dem Verdampferbereich
flüssigen
Brennstoff zu verdampfen, sodass der Brennstoff-Treibstrahl für den Injektor
bereitgestellt wird. In diesem Fall ermöglicht das elektrische Heizelement bei
einem Startvorgang des mit einem flüssigen Brennstoff betriebenen
mobilen Heizgeräts
eine Versorgung des Injektors mit dem Brennstoff-Treibstrahl. Es
wird mit einer kompakten Anordnung ein zuverlässiger Startvorgang erreicht.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass das elektrische Heizelement bei
dem Startvorgang als Widerstandsheizer (ohmscher Heizer) in den
Verdampferbereich eine ausreichende Wärmemenge einbringt, um das
Verdampfen des flüssigen
Brennstoffs und den erforderlichen Druckaufbau für die Erzeugung eines gasförmigen Brennstoff-Treibstrahls zu bewirken.
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Bevorzugt
ist der Verdampferbereich mit der Kammer derart thermisch verbunden,
dass nach einer Startphase des mobilen Heizgeräts der Verdampfungsprozess
des flüssigen
Brennstoffs in dem Verdampferbereich durch Heizwärme von der Kammer aufrechterhaltbar
ist. In diesem Fall braucht das elektrische Heizelement nur in einer
Startphase des Umsetzungsprozesses mit elektrischer Leistung versorgt zu
werden und die Leistungsversorgung kann heruntergefahren werden,
wenn sich in der Kammer eine ausreichende Temperatur eingestellt
hat. In dieser Weise wird nach dem Startvorgang ein Betrieb des mobilen
Heizgeräts
erreicht, der einen niedrigen Bedarf an elektrischer Leistung hat.
Die thermische Verbindung kann z. B. dadurch erreicht werden, dass
der Verdampferbereich über
eine große
Fläche
mit der Kammer in thermischen Kontakt gebracht ist, der Verdampferbereich
z. B. über
einen großen
Bereich direkt an der Kammer angeordnet ist, oder der Verdampferbereich
in der Kammer angeordnet ist.
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Bevorzugt
ist das elektrische Heizelement dazu ausgebildet, in der Kammer
eine zum Starten einer Reaktion des Brennstoff-Brennluft-Gemisches benötigte Temperatur
bereitzustellen. Die benötigte Temperatur
kann z. B. bei einer flammenden Verbrennung in der Kammer die Entflammtemperatur des
Brennstoff-Brennluft-Gemischs sein. Bei einer katalytischen Umsetzung
in der Kammer kann die benötigte
Temperatur z. B. durch die Starttemperatur vorgegeben sein, die
für das
Einsetzen einer Umsetzung an einem Katalysatormaterial erforderlich
ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist eine elektrische Kontaktierung des
elektrischen Heizelements auf einer der Kammer abgewandten Seite des
Verdampferbereichs angeordnet. Bei dieser Realisierung befindet
sich die elektrische Kontaktierung auf der ”kalten” Seite des Verdampferbereichs.
In einem Betrieb nach dem Startvorgang wird die Kontaktierung durch
den dazwischen angeordneten Verdampferbereich vor zu heißen Temperaturen
aus dem Bereich der Kammer geschützt.
Der Verdampfungsprozess in dem Verdampferbereich bewirkt durch die
aufgenommene Verdampfungswärme
eine Kühlung
der elektrischen Kontaktierung des elektrischen Heizelements. Bevorzugt
ist das elektrische Heizelement derart angeordnet, dass es durch
den Verdampferbereich geführt
ist und mit einem freien Ende in die Kammer ragt. Dies kann z. B.
bei der Nutzung eines Glühstiftes
als elektrisches Heizelement besonders einfach realisiert werden.
Bei dieser Ausgestaltung stellt das freie Ende bei dem Startvorgang die
für den
Reaktionsstart erforderlichen hohen Temperaturen bereit und ein
etwas kälterer
Bereich des elektrischen Heizelements in dem Verdampferbereich stellt
die für
die Aufbereitung des Brennstoff-Treibstrahls erforderliche Wärme bereit.
Es wird eine besonders kompakte Realisierung mit niedriger elektrischer
Leistungsaufnahme bereitgestellt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
ist das elektrische Heizelement durch einen Glühstift gebildet.
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Bevorzugt
ist der Injektor dazu ausgelegt, einen für die Förderung von in der Kammer entstehendem
Abgas erforderlichen Druck bereitzustellen. Dies kann durch eine
entsprechende geometrische Gestaltung des Injektors erreicht werden.
Der stromabwärts
des Injektors erzeugte Druck ist dabei so groß, dass eine zuverlässige Abführung des
entstehenden Reaktionsabgases sichergestellt ist. Es müssen somit
keine weiteren, elektrische Energie benötigenden Komponenten für die Abgasabführung vorgesehen
werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Injektor das
einzige Förderelement
zur Förderung
von Brennluft in die Kammer. In diesem Fall ist somit keine weitere,
elektrische Energiezufuhr benötigende
Vorrichtung zum Fördern
der Brennluft vorgesehen, was einen kompakten Aufbau mit geringer
elektrischer Energieaufnahme bewirkt. Es kann somit insbesondere
auf die herkömmlich
vorgesehenen Brennluftgebläse
verzichtet werden, sodass ein brennluftgebläseloses mobiles Heizgerät bereitgestellt
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weist der Injektor auf: einen Austritt
für den
Brennstoff-Treibstrahl, der in einem diesen zumindest teilweise
umgebenden Bereich der Brennluftzuführung angeordnet ist; einen
stromabwärts
des Austritts angeordneten sich verjüngenden Abschnitt; einen daran
anschließenden
Bereich konstanten Querschnitts und einen daran anschließenden sich
aufweitenden Diffusorbereich. Der Diffusorbereich weist dabei einen
sich in Strömungsrichtung
aufweitenden Querschnitt auf. Durch diese Gestaltung wird in vorteilhafter
Weise eine gute Durchmischung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
erreicht. Der sich verjüngenden
Abschnitt vor dem Bereich konstanten Querschnitts wird auch als
Fangdüse
bezeichnet. Durch die Anordnung des sich verjüngenden Abschnitts vor dem
Bereich konstanten Querschnitts (Mischrohr) wird eine Mischkammer
für Brennstoff
und Brennluft gebildet. Durch den Diffusorbereich wird eine Verlangsamung
der Strömungsgeschwindigkeit
des Gemischs unter gleichzeitigem Druckaufbau erzielt. Dieser Druckaufbau
stellt eine zuverlässige
Abgasabführung
sicher. Ein Druckaufbau innerhalb des Heizgerätes ist insbesondere bei hohen
Abgasgegendrücken,
die beispielsweise bei einem langen Abgasstrang auftreten, erforderlich.
Der Druckaufbau kann dabei durch die Abmessungen des Diffusorbereichs, insbesondere
durch das Verhältnis
der Strömungsquerschnitte
am Einlass und am Auslass des Diffusorbereichs, bestimmt werden.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass unter anderem durch entsprechende
Auswahl der Abmessungen des Injektors sowie durch Auswahl der Strömungsgeschwindigkeit und
des Durchsatzes des Brennstoff-Treibstrahls ein gewünschtes
Brennstoff-Brennluft-Gemischverhältnis,
eine gewünschte
Brennstoff-Brennluft-Zuführmenge,
ein gewünschter
Druck und/oder eine gewünschte
Strömungsgeschwindigkeit
des Brennstoff-Brennluft-Gemisches erhalten werden können.
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Bevorzugt
weist das Heizgerät
eine stromaufwärts
des Verdampferbereichs angeordnete Brennstofffördereinrichtung zum Fördern flüssigen Brennstoffs
in den Verdampferbereich auf. Die Brennstofffördereinrichtung kann z. B.
durch eine an sich bekannte Dosierpumpe, wie z. B. eine Hubkolbenpumpe,
realisiert sein. Bei dieser Ausgestaltung kann die Heizleistung
des mobilen Heizgeräts über eine
Ansteuerung der Brennstofffördereinrichtung geregelt
werden. Aufgrund der Ausgestaltung unter Nutzung des Injektorprinzips
stellt sich bei entsprechender Wahl der Geometrie des Heizgeräts über einen
weiten Leistungsbereich die angesaugte Brennluftmenge ohne weitere
regelnde Eingriffe selbständig
entsprechend der Brennstofffördermenge
ein.
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Bevorzugt
ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die mit dem elektrischen
Heizelement verbunden und derart eingerichtet ist, dass der Widerstand des
elektrischen Heizelements messbar und die Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
in der Kammer überwachbar
ist. In diesem Fall kann mit dem elektrischen Heizelement zusätzlich eine Flammwächterfunktion
(im Falle einer flammenden Umsetzung) bzw. eine Reaktionswächterfunktion
(bei einer vollkatalytischen Umsetzung) während des kontinuierlichen
Betriebs des mobilen Heizgeräts wahrgenommen
werden. Nach dem Startvorgang kann in diesem Fall der Widerstand
des elektrischen Heizelements erfasst werden und über die
bekannte Temperaturabhängigkeit
von dessen Widerstand kann die in der Kammer herrschende Temperatur überwacht
werden. Anhand des ermittelten Widerstands kann somit erfasst werden,
ob die Umsetzung in der Kammer ordnungsgemäß erfolgt. Diese Lösung kann
insbesondere mit einem Glühstift
als elektrischem Heizelement effizient realisiert werden. Es können somit
drei Funktionen mit einem Bauteil verwirklicht werden, was einen
besonders kompakten und kostengünstigen
Aufbau ermöglicht.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Kammer zur Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in einer
flammenden Verbrennung ausgebildet. In diesem Fall kann die Kammer
in bekannter Weise als Brennkammer ausgebildet sein und es ist eine
robuste Ausgestaltung für
verschiedene Brennstoffe möglich.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung weist die Kammer einen Katalysator auf und
das Heizgerät ist
derart ausgebildet, dass die von dem Heizgerät bereitgestellte Heizwärme überwiegend,
insbesondere ausschließlich,
durch eine flammlose, katalytische Umsetzung von Brennstoff mit
Brennluft an dem Katalysator erzeugt wird. Durch den Einsatz des
Injektors in einem Heizgerät,
in dem Heizwärme
durch vollkatalytische Oxidation erzeugt wird, können die Vorteile einer vollkatalytischen
Oxidation genutzt und in Kombination mit dem Injektor weiter ausgebaut werden,
so dass unter anderem eine reduzierte Schadstoffemission, ein niedriger
Geräuschpegel, ein
geringer baulicher und steuerungstechnischer Aufwand, eine lange
Lebensdauer des Katalysators, etc., erzielt werden. Das Prinzip
der vollkatalytischen Oxidation, bei dem Brennstoff mit Brennluft
(insbesondere mit darin enthaltenem Sauerstoff) flammlos an einem
Katalysator umgesetzt (oxidiert) wird, ist allgemein bekannt und
wird in anderen technischen Bereichen bereits eingesetzt. Deshalb
wird auf dieses Prinzip, das bei der vorliegenden Erfindung zum
Erzeugen von Heizwärme
in dem mobilen Heizgerät eingesetzt
wird, nicht näher
eingegangen.
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Weitere
Merkmale und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegende
Zeichnung.
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1 zeigt
schematisch ein Heizgerät
gemäß einer
Ausführungsform.
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AUSFÜHRUNGSFORM
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Im
Folgenden wird unter Bezug auf 1 eine Ausführungsform
beschrieben. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das mobile Heizgerät 1 für eine Verwendung
in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Landfahrzeug, angepasst
und kann z. B. durch ein Standheizgerät oder ein Zuheizgerät gebildet
sein. Das dargestellte mobile Heizgerät ist dazu ausgebildet, durch
Umsetzung von Brennstoff mit Brennluft Heizwärme bereitzustellen, die auf
ein zu erwärmendes
Wärmeträgermedium übertragen wird.
Die bereitgestellte Heizwärme
kann z. B. über einen
Gas-Luft-Wärmeübertrager
unmittelbar auf Luft zur Beheizung eines Raums, wie z. B. eines Fahrzeuginnenraums, übertragen
werden. Es ist andererseits z. B. auch möglich, dass das mobile Heizgerät 1 in
an sich bekannter Weise in einen Flüssigkeitskreislauf eingebunden
ist und die Heizwärme über einen
Gas-Flüssigkeits-Wärmeübertrager
auf die Flüssigkeit
in diesem Kreislauf übertragen
wird. Dabei kann der Flüssigkeitskreislauf
z. B. der Kühlflüssigkeitskreislauf
eines Verbrennungsmotors sein.
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Das
mobile Heizgerät 1 weist
eine Kammer 2 auf, in der die Umsetzung von Brennstoff
mit Brennluft in einer exothermen Reaktion erfolgt. Die Kammer 2 ist
in bekannter Weise mit einem (nicht dargestellten) Wärmeübertrager
versehen, um die Heizwärme
auf das zu erwärmende
Wärmeträgermedium
zu übertragen.
Bei der zunächst
beschriebenen Ausführungsform
ist die Kammer 2 als Brennkammer ausgebildet, in der die
Umsetzung von Brennstoff und Brennluft in einer flammenden Verbrennung
erfolgt. Die Kammer 2 ist mit einer Abgasabführung 3 zum
Abführen
der bei der Umsetzung entstehenden Abgase versehen. Die Strömungsrichtung
abgeführter
Abgase ist in 1 schematisch durch den Pfeil 4 dargestellt.
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Das
mobile Heizgerät 1 weist
eine als Injektor 5 ausgebildete Zuführung zum Zuführen eines Brennstoff-Brennluft-Gemisches
in die Kammer 2 auf. Der Injektor 5 ist dabei
derart ausgebildet, dass ein Brennstoff-Treibstrahl die benötigte Brennluft nach
dem Prinzip einer Strahlpumpe ansaugt und in dem Injektor eine Durchmischung
von Brennstoff und Brennluft zur Bildung eines Brennstoff-Brennluft-Gemisches
erfolgt. Das mobile Heizgerät
ist dabei insbesondere derart aufgebaut, dass keine Fördereinrichtung
zur aktiven Förderung
von Brennluft (wie z. B. ein Brennluftgebläse) vorgesehen ist, sondern
die Förderung
der Brennluft ausschließlich
durch die Sogwirkung des Brennstoff-Treibstrahls erfolgt.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist der Injektor 5 mit einer Brennluftzuführung 7 verbunden,
durch die Brennluft zu dem Bereich des Injektors 5 zuführbar ist,
wie schematisch durch den Pfeil 7 dargestellt ist. Die
Brennluftzuführung 7 kann
dabei z. B. durch eine Leitung gebildet sein, die mit der Außenluft
außerhalb
des mobilen Heizgeräts 1 in
Verbindung steht. Die Brennluftzuführung 7 kann dabei z.
B. über
(nicht dargestellte) Leitungen mit der Außenluft, z. B. außerhalb
eines Fahrzeugs, in Verbindung stehen. Es ist z. B. aber auch möglich, dass
die Brennluftzuführung 7 mit
einem abgeschlossenen Brennluftvorrat verbunden ist, aus dem die
benötigte Brennluft
ansaugbar ist. In einem Bereich 6 der Brennluftzuführung 7 ist
ein Austritt 8 für
Brennstoff in Form einer Düse
angeordnet, durch die ein Brennstoff-Treibstrahl in den Bereich 6 einstrahlbar
ist. Der Austritt 8 ist dabei derart ausgestaltet, dass
der Brennstoff-Treibstrahl mit einer hohen Geschwindigkeit im Verhältnis zu
der Brennluft einstrahlbar ist, sodass nach dem Prinzip einer Strahlpumpe
durch den entstehenden Sog eine Förderung und Zuführung der
Brennluft erfolgt. Bevorzugt wird dabei der Brennstoff in Form eines überhitzten
Dampfes als Brennstoff-Treibstrahl eingestrahlt, wie später noch
ausführlicher
beschrieben wird.
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Der
Injektor 5 weist einen auch als Fangdüse bezeichneten, sich verjüngenden
Abschnitt 9 auf. An den sich verjüngenden Abschnitt 9 schließt sich stromabwärts ein
Bereich konstanten Querschnitts 10 (Mischrohr) an, der
den Bereich kleinsten Querschnitts des Injektors 5 bildet.
An den Bereich konstanten Querschnitts 10 schließt sich
stromabwärts ein
Diffusorbereich 11 mit einem sich aufweitenden Querschnitt
an.
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Über den
Diffusorbereich 11 wird das erzeugte Brennstoff-Brennluft-Gemisch
in die Kammer 2 zugeführt.
In dem Diffusorbereich 11 findet durch den sich aufweitenden
Querschnitt eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches
statt und es erhöht
sich dabei gleichzeitig der statische Druck. Durch eine angemessene
Wahl der Geometrien der verschiedenen Komponenten des Injektors 5 kann
erreicht werden, dass sowohl eingangsseitig eine stabile Brennluftförderung
als auch ausgangsseitig eine zuverlässige Abführung von Abgasen erfolgen.
Ferner kann über
eine angemessene Wahl der Geometrien des Bereichs konstanten Querschnitts 10 und
des sich verjüngenden
Abschnitts 9 das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Brennluft
eingestellt werden, sodass über
einen weiten Leistungsbereich keine zusätzlichen regelnden Eingriffe
erforderlich sind.
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Der
als gasförmiger
Brennstoff-Treibstrahl aus dem Austritt 8 austretende Brennstoff
wird von einem Verdampferbereich 12 zu dem Austritt 8 zugeführt. Die
Zuführung
erfolgt dabei über
eine in 1 schematisch dargestellte Leitung 13,
die z. B. durch ein dünnes
Röhrchen
gebildet sein kann. An den Verdampferbereich 12 ist eine
weitere Leitung 14 angeschlossen, über die flüssiger Brennstoff zu dem Verdampferbereich 12 zuführbar ist.
Die Zufuhr des flüssigen
Brennstoffs zu dem Verdampferbereich 12 erfolgt durch eine
Brennstofffördereinrichtung 15,
die z. B. durch eine bekannte Brennstoffdosierpumpe, z. B. eine
Hubkolbenpumpe, gebildet sein kann und die den flüssigen Brennstoff
aus einem (nicht dargestellten) Brennstoffvorrat zuführt, wie
es schematisch durch den Pfeil 16 dargestellt ist. Als
flüssiger
Brennstoff kommen z. B. Benzin oder Diesel in Frage, die bei einer
Anwendung in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor aus einem Fahrzeugtank
zugeführt
werden können.
Bevorzugt kommt als Brennstoff jedoch z. B. Ethanol zum Einsatz,
das sich mit geringeren Rückständen und
schadstoffarmer umsetzen lässt.
In dem Verdampferbereich 12 wird der flüssige Brennstoff durch Wärmezufuhr
verdampft und es bildet sich ein entsprechender Druck aus, der zur
Förderung des
Brennstoffdampfs zu dem Austritt 8 und zur Ausbildung des
Brennstoff-Treibstrahls
im Bereich des Austritts 8 ausreicht. Die Brennstofffördereinrichtung 15 ist
derart ausgebildet, dass sie einen entsprechenden Druck gegenhält. Der
Verdampferbereich 12 ist derart thermisch an die Kammer 2 angekoppelt,
dass ein Teil der in der Kammer 2 freigesetzten Wärme dem
Verdampferbereich 12 zugeführt wird, um den Verdampfungsprozess
des flüssigen
Brennstoffs aufrechtzuerhalten. Dies kann z. B. dadurch erreicht sein,
dass der Verdampferbereich 12 über eine relativ große Fläche thermisch
mit der Kammer 2 verbunden ist, z. B. in dieser angeordnet
ist oder unmittelbar an dieser anliegt bzw. über eine wärmeleitende Verbindung mit
dieser verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Verdampferbereich 12 z.
B. innerhalb der Kammer 2 angeordnet.
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Wie
bereits in der Einleitung erwähnt
wurde, steht bei einem Startvorgang des mobilen Heizgeräts 1 zunächst noch
keine bzw. noch nicht genügend Heizleistung
von der Kammer 2 zur Verfügung, um eine ausreichende
Verdampfung des flüssigen Brennstoffs
in dem Verdampferbereich 12 und somit eine Aufbereitung
des Brennstoff-Treibstrahls zu gewährleisten. Außerdem ist
bei einem Startvorgang für einen
Reaktionsstart des Brennstoff-Brennluft-Gemisches in der Kammer 2 eine
Energiezufuhr erforderlich.
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Bei
der Ausführungsform
ist ein elektrisches Heizelement 17 vorgesehen, dass durch
den Verdampferbereich 12 hindurchgeführt ist und mit einem Bereich 17a in
die Kammer 2 ragt. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Bereich 17a durch ein freies Ende des elektrischen
Heizelements 17 gebildet. Eine elektrische Kontaktierung 17b des
elektrischen Heizelements 17 befindet sich auf der der Kammer 2 abgewandten
Seite des Verdampferbereichs 12. Die elektrische Kontaktierung 17b ist über schematisch
dargestellte Leitungen 18 mit einer Steuerungseinheit 19 verbunden.
Das elektrische Heizelement 17 ist derart ausgebildet,
dass der in die Kammer 2 ragende Bereich 17a durch
Zufuhr elektrischer Energie auf eine Temperatur gebracht werden kann,
die über
der Entflammtemperatur des Brennstoff-Brennluft-Gemisches liegt. Ein Zwischenbereich 17c des
elektrischen Heizelements, der sich in wärmeleitendem Kontakt mit dem
Verdampferbereich 12 befindet, wird durch die elektrische
Energiezufuhr auf eine Temperatur gebracht, die dazu ausreicht,
den flüssigen
Brennstoff in dem Verdampferbereich 12 zu verdampfen und
den Brennstoff-Treibstrahl aufzubereiten.
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Das
elektrische Heizelement 17 kann z. B. durch einen Glühstift gebildet
sein, der von der elektrischen Kontaktierung durch den Verdampferbereich 12 hindurch
mit seiner Spitze in die Kammer 2 ragt. Bei dieser Realisierung
wird der Zwischenbereich 17c durch den Schaftbereich des
Glühstifts
gebildet. Da die für
den Betrieb des Verdampferbereichs 12 benötigte Wärme im Bereich
des Schaftes abgeführt wird,
erreicht die Spitze bei einer entsprechenden elektrischen Leistungsversorgung
problemlos die in der Kammer 2 benötigten hohen Temperaturen.
Der Glühstift
kann z. B. in bekannter Weise als Siliziumcarbid-Stift ausgebildet
sein, der mit metallischen oder keramischen Leiterbahnen versehen
ist und an seiner Spitze einen hohen elektrischen Widerstand aufweist.
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Die
Steuerungseinheit 19 ist ferner über eine gestrichelt dargestellte
Leitung 20 mit der Brennstofffördereinrichtung 15 verbunden.
Die Steuerungseinheit 19 ist derart eingerichtet, dass
bei einem Förderbeginn
der Brennstofffördereinrichtung 15 die
elektrische Heizeinrichtung 17 mit elektrischer Leistung versorgt
wird. Dadurch wird der in die Kammer 2 ragende Bereich 17a auf
eine Temperatur gebracht, die für
einen Reaktionsstart in der Kammer 2 ausreicht. Ferner
wird über
die in dem Zwischenbereich 17c abgeleitete Warme der Verdampferbereich 12 auf
eine Temperatur gebracht, die für
eine Verdampfung von flüssigem
Brennstoff und eine Aufbereitung des Brennstoff-Treibstrahls ausreicht.
Die Brennstofffördereinrichtung 15 wird
zum Fördern
von flüssigem Brennstoff
in den Verdampferbereich 12 angesteuert. In dem Verdampferbereich 12 verdampft
der flüssige Brennstoff
und es bildet sich in dem Injektor 5 der Brennstoff-Treibstrahl
aus, der wiederum die Förderung
des Brennstoff-Brennluft-Gemischs
in die Kammer 2 initiiert. In der Kammer 2 wird
die Umsetzungsreaktion des Brennstoff-Brennluft-Gemischs durch den
heißen
Bereich 17a gestartet. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist
bei Förderbeginn
des Brennstoffs und beginnender Gemischzufuhr in die Kammer 2 sofort
ein Reaktionsstart möglich.
In dieser Startphase unterstützt
die elektrische Heizeinrichtung 17 weiterhin den Verdampfungsprozess
im Verdampferbereich 12 und die Reaktionsstabilisierung
in der Kammer 2. Anschließend können durch geringere elektrische
Leistungszufuhr zu dem elektrischen Heizelement 17 der
Wärmeeintrag
in den Verdampferbereich 12 und die Temperatur des in die
Kammer 2 ragenden Bereichs 17c parallel zurückgenommen
werden, wenn sich die Reaktion stabilisiert hat und ein ausreichender
Wärmeeintrag
von der Kammer 2 in den Verdampferbereich 12 vorhanden
ist.
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Die
Steuerungseinheit 19 ist ferner so ausgebildet, dass nach
dem Startvorgang über
die elektrische Kontaktierung 17b und die Leitungen 18 der
Widerstand des elektrischen Heizelements 17 ausgemessen
werden kann. Über
eine bekannte Temperaturabhängigkeit
des elektrischen Widerstands des elektrischen Heizelements 17 wird
von der Steuerungseinheit 19 überwacht, ob die Reaktion in
der Kammer 2 ordnungsgemäß aufrechterhalten bleibt. Das
elektrische Heizelement 17 übernimmt in dieser Phase (nach
dem Startvorgang) somit ferner die Funktion eines Flammwächters.
Dadurch, dass die elektrische Kontaktierung 17b des elektrischen
Heizelements 17 auf der der Kammer 2 abgewandten
Seite des Verdampferbereichs 12 angeordnet ist, wird die
Kontaktierung 17b durch den Verdampfungsprozess im Verdampferbereich 12 auf
einer moderaten Temperatur gehalten.
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Aufgrund
der beschriebenen Ausgestaltung des mobilen Heizgeräts 1 mit
dem Injektor 5 kann das mobile Heizgerät 1 über einen
großen
Leistungsbereich, insbesondere auch einen Bereich mit niedriger Leistung,
dadurch betrieben werden, dass lediglich die Zufuhr flüssigen Brennstoffs
zu dem Verdampferbereich 12 über eine Ansteuerung der Brennstofffördereinrichtung 15 variiert
wird. Die erforderliche Brennluftzuführung erfolgt durch die Ausbildung
als Injektor weitestgehend ohne weitere regelnde Eingriffe. Um den
Betriebsbereich des mobilen Heizgeräts 1 darüber hinaus
noch zu erweitern, kann z. B. in der Brennluftzuführung ein
Brennluftventil vorgesehen werden, mit dem die Brennluftzufuhr einstellbar ist.
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ABWANDLUNG
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Im
Folgenden wird eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungsform
beschrieben. Die Abwandlung unterscheidet sich nur in Details von der
beschriebenen Ausführungsform
und es werden im Folgenden lediglich die Unterschiede beschrieben.
Bei der Abwandlung erfolgt die Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches
in der Kammer 2 nicht wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform
in einer flammenden Verbrennung, sondern in einer vollkatalytischen,
flammlosen Reaktion. Um dies zu Erreichen ist gemäß der Abwandlung
in der Kammer 2 ein Katalysator 30 angeordnet
(in 1 gestrichelt dargestellt), an dessen Oberfläche eine flammlose,
vollkatalytische Umsetzung des Brennstoff-Brennluft-Gemisches unter
Freisetzung von Wärme
erfolgt. Der Katalysator 30 weist bei der Abwandlung bevorzugt
eine poröse,
durchströmbare Struktur
mit einer großen
Oberfläche
auf.
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Bei
der Abwandlung ragt das elektrische Heizelement 17 derart
in die Kammer 2, dass über
das elektrische Heizelement 17 eine Beheizung des Katalysators 30 erfolgen
kann, um die vollkatalytische Reaktion zu starten. In diesem Fall
wird der in die Kammer 2 ragende Bereich 17a nicht
auf eine Temperatur oberhalb der Entflammtemperatur des Gemischs
gebracht, sondern lediglich auf eine für den Start der vollkatalytischen
Reaktion erforderliche Temperatur. Der Bereich 17a steht
gemäß der Abwandlung
in thermischem Kontakt mit dem Katalysator 30, ist z. B.
direkt wärmeleitend
mit diesem verbunden.
