DE102016117323B3

DE102016117323B3 - Verfahren zur Konstanthaltung des dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes zugeführten Verbrennungsluft-Massenstroms und nach einem solchen Verfahren arbeitendes Heizgerät

Info

Publication number: DE102016117323B3
Application number: DE102016117323.1A
Authority: DE
Inventors: Harald Redelberger
Original assignee: Valeo Thermal Commercial Vehicles Germany GmbH
Current assignee: Valeo Thermal Commercial Vehicles Germany GmbH
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-09-15

Abstract

Um den Verbrennungsluft-Massenstrom, der dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes mithilfe eines durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotors zugeführt wird, auf einem vorgebbaren, eine optimale Verbrennung gewährleistenden Wert konstant zu halten, wird das vom Brennluft-Gebläsemotor (1) abgebbare Drehmoment dadurch auf einen vorgebbaren Wert eingeregelt, dass der elektrische Motorstrom des Brennluft-Gebläsemotors (1) mithilfe einer Regeleinrichtung (3) auf einen vorgebbaren Soll-Motorstrom IMsoll eingeregelt wird, der in Art einer Führungsgröße in Abhängigkeit von der durch Messung erfassten Temperatur der Magnete TMagnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstanthaltung des dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes zugeführten Verbrennungsluft-Massenstroms gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein nach einem solchen Verfahren arbeitendes mobiles Heizgerät gemäß Anspruch 4.
Es sind mobile Heizgeräte bekannt, die mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff betrieben werden, der einem Brennerraum im erstgenannten Fall direkt oder im zweiten Fall über eine Zerstäubereinheit zugeführt wird. Dabei wird die Menge des pro Zeiteinheit in den Brennerraum eingebrachten Brennstoffs in Abhängigkeit von der gewünschten Heizleistung vorgegeben. Zur Erzielung einer möglichst schadstoffarmen Verbrennung ist es dann wünschenswert, den mithilfe des Brennluft-Gebläses in den Brennerraum des Heizgerätes geförderten Verbrennungsluft-Massenstrom auf einem Wert konstant zu halten, der in Verbindung mit der pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge zu einer optimalen Verbrennung führt (λ = 1).
Bei stationären Heizgeräten kann dies näherungsweise dadurch erfolgen, dass die Drehzahl des Gebläses auf einen fest vorgegebenen, durch Versuche ermittelten Wert eingestellt bzw. eingeregelt und so das dem Brennerraum zugeführte Luftvolumen konstant gehalten wird.
Ein unter diese Kategorie fallendes Verfahren wird in der DE 37 31 318 C2 beschrieben, gemäß dessen mithilfe von zwei druckempfindlichen, auf verschiedene Ansprechwerte eingestellten Schaltern der jeweilige Druck auf der Eingangs- bzw. der Ausgangseite des Verbrennungsluft-Strömungsweges erfasst werden. In einem Eichlauf werden zunächst die beim Ansprechen des auf den niedrigeren Druckwert eingestellten Schalters und dann die beim Ansprechen des auf den höheren Druckwert eingestellten Schalters herrschende Umdrehungszahl des Brennluft-Gebläses gemessen und gespeichert. Diese beiden Drehzahlen werden dann im regulären Betrieb verwendet, um das Brennluft-Gebläse so zu steuern, dass ständig eine gewünschte Überschuss-Verbrennungsluftmenge aufrechterhalten wird. Beiläufig wird in dieser Druckschrift erwähnt, dass zu den mitwirkenden Faktoren auch der Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und der angesaugten Verbrennungsluft gehören, ohne dass ein konkreter Zusammenhang dargestellt oder ausgeführt wird, inwiefern dieser Temperaturunterschied zur Drehzahlregelung herangezogen werden könnte.
Aus der US 5,806,440 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Ansauggebläses für Gasöfen bekannt, bei dem während des Normalbetriebs des Motors periodisch erste und zweite Motorparameter, die zum momentanen Motordrehmoment und zur momentanen Motordrehzahl proportional sind als erste und zweite Variable gemessen werden, wobei unter Verwendung des gemessenen Motordrehmoments unter Zuhilfenahme von gespeicherten Daten von Arbeitspunkten eine gewünschte Motordrehzahl berechnet wird, auf welche die tatsächliche Motordrehzahl eingeregelt wird. Dies dient zur Anpassung an Änderungen des Drucks, gegen den das Gebläse anzuarbeiten hat wie sie beispielsweise durch Vogelnester oder dergleichen im Abgasauslass auftreten können. Zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist ein vergleichsweise großer Meß- und Rechenaufwand erforderlich.
In der DE 38 12 697 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung der Störgrößenwirkung bei Gebläsebrenneranlagen beschrieben. Auch hier muss ein vergleichsweise großer Messaufwand zur Erfassung von Größen wie Umgebungsluftdruck und Umgebungslufttemperatur getrieben werden, um deren Einfluss auf den Luftmassenstrom durch mathematische Operationen zu bestimmen und eine gewünschte Anpassung vorzunehmen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei allen diesen stationären Heizgeräten der für die Qualität der Verbrennung entscheidende Verbrennungsluft-Massenstrom nur dann in etwa konstant bleibt, wenn sich weder der Luftdruck, noch die Lufttemperatur noch die Luftfeuchtigkeit ändern. Für mobile Heizgeräte, wie sie in Fahrzeugen, insbesondere PKWs, Lastkraftwagen oder Omnibussen zum Einsatz kommen und dabei auf häufig wechselnden Meereshöhen betrieben werden, sind diese Bedingungen keinesfalls erfüllbar.
Aus der DE 101 44 404 A1 ist ein mobiles Zusatzheizgerät mit einer Steuereinrichtung bekannt, die geeignet ist, die Brennluftzuführeinrichtung und/oder die Brennstoffzuführeinrichtung in Abhängigkeit eines Signals zu steuern, das von einer Einrichtung geliefert wird, mit deren Hilfe die Luftdichte in der Umgebung des Zusatzheizgerätes anhand der Drehzahl und der Leistungsaufnahme eines fahrzeugeigenen Kühler- oder Lüftungs-Gebläsemotors ermittelt wird. Hierfür ist es erforderlich, dass einer dieser nicht zum Zusatzheizgerät gehörenden Gebläsemotoren einen Drehzahlsensor und eine Steuereinrichtung aufweist, der bzw. die jeweils ein die elektrische Leistungsaufnahme des betreffenden Gebläsemotors kennzeichnendes und ein seine zugehörige Drehzahl wiedergebendes Signal liefert. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass sie nicht nur Anforderungen an den konstruktiven Aufbau des Heizgerätes sondern auch der Kühler- oder Lüftungs-Gebläseanordnung stellt. Weiterhin ist zumindest ein zum Messen der Drehzahl des betreffenden Gebläsemotors dienender, zusätzlicher Sensor erforderlich. Auch ist nicht gewährleistet, dass die Luftdichteverhältnisse im Bereich des Kühler- oder Lüftungs-Gebläsemotors ständig in einem reproduzierbaren Zusammenhang mit denen im Bereich des Brennluft-Gebläses des Heizgerätes stehen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der in Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art sowie ein nach diesem Verfahren arbeitendes Heizgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4 zu schaffen, die so ausgebildet sind, dass ohne zusätzliche Messsensoren der dem Brennerraum eines Heizgerätes zugeführte Verbrennungsluft-Massenstrom auf einen vorgebbaren, von den momentan herrschenden Luftdruck-, Luftfeuchtig keits- und/oder Lufttemperatur-Verhältnissen unabhängigen, konstanten Wert eingeregelt werden kann, der mit der fest vorgegebenen, pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge eine optimale Verbrennung (λ = 1) liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen 1 bzw. 4 niedergelegten Merkmale vor.
Diese Vorgehensweise liegen folgende Überlegungen zu Grunde: Bei einem Brennluft-Gebläsemotor ist der Drehmomentbedarf proportional zu dem vom Gebläse geförderten Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ. Um diesen auf einem vorgegebenen Wert konstant zu halten, genügt es das Drehmoment M des Brennluft-Gebläsemotors auf einen entsprechenden konstanten Wert einzuregeln.
Bei einem permanent erregten Elektromotor ist das Drehmoment M gemäß folgender Gleichung proportional zum Motorstrom I_M: M = I_M·k_M (1) wobei k_M die Motorstromkonstante ist, für die gilt: k_M = B_M·l·r, (2)
Dabei ist B_M die magnetische Flussdichte, l die Länge des Leiters der Motorwicklung und r dessen Radius zur Drehachse des Motors. Um einen konstanten Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ zu erzielen, ist es somit erforderlich, den Motorstrom I_M auf einem entsprechenden Wert konstant zu halten.
Allerdings ist die magnetische Flussdichte B_M bei permanent erregten Motoren in starkem Maße von der Temperatur der Permanentmagnete abhängig. Beispielsweise sind Ferritmagnete bekannt, bei denen sich die magnetische Flussdichte B_M je 100 K (Kelvin) um etwa 20% verändert; der Temperaturkoeffizient k_M ist hier also 2·10^–3/K. Dabei ist in dem hier interessierenden Temperaturbereich von –40°C bis 120°C die Temperaturabhängigkeit mit guter Genauigkeit linear. Bei anderen Magetmaterialien, die im Rahmen der Erfindung ebenfalls zum Einsatz kommen können, gelten entsprechend andere Temperaturkoeffizienten, die der Fachmann ohne weiteres den Datenblättern der Hersteller der Permanentmagnete entnehmen kann.
Um ein konstantes Drehmoment M zu erzielen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Sollmotorstrom I_Msoll der einer den Motorstrom des Brennluft-Gebläsemotors kontrollierenden Regelschleife vorgegeben wird, nicht konstant gehalten wird, sondern sich gemäß folgender Gleichung ändert: I_Msoll = I_Msoll0·(1 – (T_Magnete – T₀)·k_M)^–1 (1) wobei I_Msoll0 der durch Versuche zu ermittelnde Motorstrom ist, der bei der Referenztemperatur T₀ den gewünschten Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ liefert, der in Verbindung mit der pro Zeiteinheit dem Brennerraum zugeführten Brennstoffmenge eine optimale Verbrennung (λ-Wert = 1) liefert.
Gemäß der Erfindung wird also die Temperatur T_Magnete der Permanentmagnete oder eine mit dieser eng korrelierte Temperatur erfasst, aus der mithilfe einer Recheneinheit der sich mit der Temperatur T_Magnete ändernde Soll-Motorstrom I_Msoll gemäß Gleichung (3) berechnet wird, der dann als Führungsgröße für die Motorstrom-Regelung dient.
Da die Temperatur T_Magnete der Permanentmagnete im Regelfall nicht direkt gemessen werden kann, ist vorzugsweise vorgesehen, stattdessen einen aus Sicherheitsgründen ohnehin vorhandenen Temperatursensor einer nahe am Brennluft-Gebläsemotor befindlichen bzw. in dessen Gehäuse integrierten Elektronik zu verwenden. Für die von diesem Temperatursensor gemessene Temperatur T_Elektronik gilt dann im eingeschwungenen Zustand: T_Magnete = T_Elektronik + ΔT_Magnete. (4)
Die Temperaturdifferenz ΔT_Magnete wird für die einzelnen Heizleistungen und damit die einzelnen Nenndrehzahlen während der Entwicklung des Heizgerätes ermittelt und als Parameter in einem Mikroprozessorspeicher hinterlegt.
Diese Näherung ist unkritisch, weil bei einem Heizgerät der Verbrennungsluft-Gebläsemotor nicht über den ganzen prinzipiell möglichen Drehzahlbereich sondern nur innerhalb enger Drehzahlgrenzen benutzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur eine stark vereinfachte schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Regelungsanordnung für den Verbrennungsluft-Gebläsemotor eines mobilen Heizgerätes.
In 1 ist ein Brennluft-Gebläsemotor 1 dargestellt, dessen elektrischer Strom I_M mit Hilfe einer Regeleinrichtung 3 so geregelt wird, dass das vom Verbrennungsluft-Gebläsemotor 1 abgegebene Drehmoment M und somit auch der vom Verbrennungsluft-Gebläsemotor 1 geförderte Verbrennungsluft-Massenstrom ṁ auf einem Wert konstant gehalten wird, der bei fest vorgegebener, pro Zeiteinheit dem Brennerraum (nicht dargestellt) des Heizgerätes zugeführten Brennstoffmenge zu einer möglichst vollständigen Verbrennung (λ = 1) führt.
Zu diesem Zweck umfasst die stark vereinfacht dargestellte Regeleinrichtung 3 eine aus Regler und Stellglied bestehende Einheit 5, die an ihrem Ausgang den dem Verbrennungsluft-Gebläsemotor 1 zugeführten Motorstrom I_M abgibt. Dessen Wert wird durch ein Messglied 6 gemessen, dessen Ausgangssignal in bekannter Weise mit negativem Vorzeichen auf einen Sollwert/Istwert-Vergleicher 8 der Regeleinrichtung 3 rückgekoppelt wird.
Das dem anderen Eingang des Sollwert/Istwert-Vergleiches 8 zugeführte Signal besitzt gemäß der Erfindung keinen konstanten Wert, sondern wird von einer Rechner-Speicher-Einheit 10 als Führungsgröße I_Msoll in Abhängigkeit von der durch einen Temperatursensor 12 gemessenen Temperatur T_Elektronik gemäß der sich aus den Gleichungen (3) und (4) ergebenden Gleichung I_Msoll = I_Msoll0·(1 – (T_Elektronik + ΔT_Magnete – T₀)·k_M)^–1 (5) variiert, sodass die erforderliche Anpassung des Motorstroms I_M an die sich mit den Umgebungsbedingungen ändernde Temperatur der Erregermagnete T_Magnete des Brennluft-Gebläsemotors 1 erfolgt.
Für Ferritmagnete mit einem entsprechenden Temperaturkoeffizienten k_M ergibt sich beispielsweise hieraus die Gleichung I_Msoll0 = I_Msoll0·(1 – (T_Elektronik + T_Magnete – T₀]·2·10^–3/K)^–1, (6) wobei K für Kelvin steht.

Claims

Verfahren zur Konstanthaltung des dem Brennerraum eines mobilen Heizgerätes zugeführten Verbrennungsluft-Massenstroms, wobei das Heizgerät einen durch Permanentmagnete erregten Brennluft-Gebläsemotor umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Brennluft-Gebläsemotor (1) abgebbare Drehmoment dadurch auf einem vorgebbaren Wert konstant gehalten wird, dass der elektrische Motorstrom des Brennluft-Gebläsemotors (1) mithilfe einer Regeleinrichtung (3) auf einen vorgebbaren Soll-Motorstrom I_Msoll eingeregelt wird, der in Art einer Führungsgröße in Abhängigkeit von der durch Messung erfassten Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Motorstrom I_Msoll in Abhängigkeit von der durch Messung erfassten Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete nach der Gleichung I_Msoll = I_Msoll0(1 – (T_Magnete – T₀)k_M)^–1 verändert wird, wobei T₀ eine Referenztemperatur ist, bei welcher der für das betreffende Heizgerät zu einem optimalen Verbrennungsgemischverhältnis führende Motorstrom I_Msoll0 ermittelt wurde und k_M der Temperaturkoeffizient der magnetischen Flussdichte der Permanentmagnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete dadurch näherungsweise ermittelt wird, dass die Temperatur T_Elektronik einer in unmittelbarer Nähe des Brennluft-Gebläsemotors (1) angeordneten Elektronik gemessen und aus ihr ein Näherungswert für die Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete nach der Gleichung T_Magnete = T_Elektronik + ΔT_Magnete berechnet wird, wobei ΔT_Magnete ein für die einzelnen Heizleistungen ermittelter und in einem Mikroprozessorspeicher hinterlegter Parameter ist.
Mobiles, mit Brennstoff betriebenes Heizgerät, mit einem mithilfe von Permanentmagneten erregten Brennluft-Gebläsemotor (1), der dazu dient dem Brennerraum des Heizgerätes Verbrennungsluft zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (12) zum Erfassen der Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete des Brennluft-Gebläsemotors (1) und eine Regeleinrichtung (3) vorgesehen sind, wobei letztere dazu ausgebildet ist, den dem Brennerraum des Heizgerätes zugeführten Verbrennungsluft-Massenstrom mit Hilfe einer Führungsgröße I_Msoll auf einen Sollwert einzulegen, die in Abhängigkeit von der durch Messung erfassten Temperatur der Permanentmagnete T_Magnete veränderbar ist.
Heizgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennluft-Gebläsemotor (1) eine in unmittelbarer Nähe der Permanentmagnete angeordnete Elektronik mit einem Temperatursensor (12) umfasst, dessen Ausgangssignal T_Elektronik einer Rechner-Speicher-Einheit (10) zuführbar ist, die hieraus unter Verwendung von in ihrem Speicher abgelegten Parametern die jeweilige Führungsgröße I_Msoll berechnet.