DE102016123041A1 - Brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät und Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes - Google Patents

Brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät und Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes (10), umfassend das Absenken (130) eines Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen zugeführter Verbrennungsluft und zugeführtem Brennstoff in einer Brennkammer (32) des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes (10) für ein Zeitintervall Δt von einem Ausgangswert λ> 1 in einen Bereich λ < λ. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät (10) mit einem Steuergerät (16), das zur Ausführung des Verfahrens (100) eingerichtet ist.

Description

  • Dier vorliegende Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
  • Beschrieben wird ein Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes, umfassend das Absenken eines Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen zugeführter Verbrennungsluft und zugeführtem Brennstoff in einer Brennkammer des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes für ein Zeitintervall Δt von einem Ausgangswert λstart > 1 in einem Bereich λ < λstart. Das Verbrennungsluftverhältnis λ, auch Luftverhältnis oder Luftzahl genannt, ist die dimensionslose Kennzahl zwischen dem Massenverhältnis der zugeführten Verbrennungsluft und dem zugeführten Brennstoff. Ein Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 beschreibt eine stöchiometrische Verbrennung, das heißt eine vollständige Verbrennung des vorhandenen Brennstoff und des in der Verbrennungsluft vorhandenen Sauerstoffs. Ein Wert von λ > 1 bezeichnet ein mageres Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch, bei dem mehr Verbrennungsluft zugeführt wird, als zur vollständigen Verbrennung des im gleichen Zeitraumes zugeführten Brennstoffes erforderlich ist. Das Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ kann beispielsweise bei einem laufenden Betrieb des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes erfolgen, wobei das Fahrzeugheizgerät bis zum Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ in einem stabilen stationären Betriebszustand ist. In diesem stabilen stationären Betriebszustand kann das Verbrennungsluftverhältnis λ = λstart konstant vorliegen. Als Beispiel für stationäre Ausgangswerte λstart können beispielsweise Werte zwischen 1,5 und 2,0 sein. Die Ausgangswerte λstart können beispielsweise auch in Abhängigkeit von einer Nennleistung des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes variieren. Beispielsweise kann ein stationärer Ausgangswert λstart = 1,8 im Falle eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes mit 15 kW vorliegen und ein stationärer Ausgangswert λstart = 1,7 im Falle eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes mit einer Nennleistung von 12 kW vorliegen. Der Bereich λ < λstart, auf den das Verbrennungsluftverhältnis λ ausgehend von dem stationären Ausgangswert λstart abgesenkt wird, kann beispielsweise 1,1 bis 1,4 sein. Insbesondere liegt der Bereich, in den das Verbrennungsluftverhältnis λ ausgehend von dem Ausgangswert λstart abgesenkt wird, vollständig oberhalb von λ = 1. Verglichen mit dem Ausgangswert λstart liegt nach dem Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ ein vergleichsweise fettes Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis vor. Dieses vergleichsweise fette Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch ist geeignet, in der Brennkammer abgelagerte Rückstände, zum Beispiel Koks oder Ruß, abzubrennen und somit abzubauen. Das beschriebene Verfahren eignet sich somit zur Regeneration des Fahrzeugheizgerätes, da die Brennkammer von Rückständen befreit wird, die sich im Laufe der Zeit ansammeln. Auf diese Weise kann einer eventuellen, durch eine Rückstandsbildung in der Brennkammer verursachten Störung der ordnungsgemäßen Funktion des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes vorgebeugt werden. Derartige Funktionsstörungen können beispielsweise erhöhte Kohlenmonoxid-Abgaswerte, ein erhöhter Ausstoß von Rußpartikeln und/oder eine höhere Geräuschentwicklung während des Betriebs des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes sein. Weiterhin können die Rückstände in der Brennkammer auch zu einem schlechten Startverhalten, das heißt einem schlechten Zündungsverhalten des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes führen, so dass insbesondere während einer Startphase erhöhte Abgasemissionen und Rußpartikelemissionen verursacht werden können. Dies kann bis zu einem vollständigen Ausfall des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes führen, bei dem das Starten des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes aufgrund der Rückstandsbildung in der Brennkammer wiederholt fehlschlägt.
  • Die vorstehend genannten Probleme werden durch das beschriebene Verfahren gelöst beziehungsweise vermindert.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ in dem Bereich λ < λstart während des Zeitintervalls Δt in einem konstanten Wertebereich gehalten wird. Durch das Halten des Verbrennungsluftverhältnisses λ in dem konstanten Wertebereich während des Zeitintervalls Δt kann ein kontrollierter und insbesondere gleichmäßiger Abbrand der Rückstände in der Brennkammer erreicht werden. Die Länge des Zeitintervalls kann vorab gerätespezifisch auf den jeweiligen Typ des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes experimentell bestimmt und voreingestellt sein. Denkbar ist auch, die Länge des Zeitintervalls Δt dynamisch anhand der in der Brennkammer abgelagerten Rückstandsmenge zu bestimmen. Rückschlüsse auf die in der Brennkammer abgelagerte Rückstandsmenge können beispielsweise indirekt über das Startverhalten des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes gemacht werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise Temperatur- und Abgasemissionswerte während der Startphase des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes überwacht werden und bei einem ungünstigeren Verlauf eine Verlängerung des Zeitintervalls Δt während des nächsten anstehenden Absenkens des Verbrennungsluftverhältnisses λ in den konstanten Wertebereich vorgemerkt werden. Der konstante Wertebereich kann beispielsweise um einen bevorzugt angestrebten Zielwert λziel herum definiert sein. Möglich ist, dass anstelle des konstanten Wertebereichs das Verbrennungsluftverhältnis λ auf dem konstanten Zielwert λziel gehalten wird.
  • Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an das Zeitintervall Δt das Verbrennungsluftverhältnis λ in einen Endwertebereich des Verbrennungsluftverhältnisses mit λ > 1 zurückgeführt wird. Auf diese Weise wird das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät nach abgeschlossener Regeneration, das heißt dem Abschluss des Abbrandes der Rückstände in der Brennkammer, im Wesentlichen in den ursprünglichen normalen stationären Betriebszustand zurückgeführt. Der Endwertebereich kann vorzugsweise den Ausgangswert λstart umfassen. Möglich ist, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ auf den Ausgangswert λstart zurückgeführt wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Länge des Zeitintervalls Δt zwischen 2 Minuten und 5 Minuten liegt. Vorzugsweise kann das Zeitintervall Δt 4 Minuten betragen. In dem vorstehend genannten Zeitintervall, das zwischen 2 und 5 Minuten lang ist, ist üblicherweise ein vollständiger Abbrand der Rückstände in der Brennkammer zu erwarten. Die Regeneration des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes ist somit nach Ablauf des Zeitintervalls Δt im Wesentlichen vollständig und abgeschlossen.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass eine der Brennkammer zugeführte Verbrennungsluftmenge verringert wird und/oder eine der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge erhöht wird. Durch das Verringern der zugeführten Verbrennungsluftmenge und durch das Erhöhen der zugeführten Brennstoffmenge kann jeweils, einzeln oder gemeinsam, das gewünschte Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ in den Bereich λ < λstart erreicht werden.
  • Nützlicher Weise kann vorgesehen sein, dass die der Brennkammer zugeführte Verbrennungsluftmenge und/oder die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit von einem durch einen Sensor erfassten Luftdruck bestimmt wird. Durch eine Änderung des Luftdrucks ändert sich die der Brennkammer zugeführte Luftmasse, ohne dass das zugeführte Luftvolumen eine Änderung erfährt. Durch das Variieren der zugeführten Luftmenge und der zugeführten Brennstoffmenge in Abhängigkeit von dem erfassten Luftdruck kann dies ausgeglichen werden, so dass das gewünschte Verbrennungsluftverhältnis λ sicher eingehalten wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ in den Bereich λ < λstart basierend auf einer Betriebsdauer des Fahrzeugheizgerätes seit dem letzten Absenken eingeleitet wird und/oder basierend auf einem von einem Sensor erfassten Luftdruck beendet wird. Durch das Koppeln der Absenkung des Verbrennungsluftverhältnisses λ an die Betriebsdauer des Fahrzeugheizgerätes seit dem letzten Absenken wird eine im Wesentlichen zyklische Regeneration des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes erreicht. Bei der Erstinbetriebnahme eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes kann der Zeitpunkt der erstmaligen Inbetriebnahme mit dem Zeitpunkt des letzten Absenkens gleichgesetzt werden, da zu diesem Zeitpunkt die Brennkammer frei von Rückständen ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass betriebsdauerunabhängig nach Ablauf einer festen Zeitspanne, beispielsweise einmal pro Jahr, eine Regeneration des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes vorgenommen wird. Das Beenden des Absenkens basierend auf einem erfassten Luftdruck kann in höheren Lagen ein unerwünschtes Abfallen des angestrebten Verbrennungsluftverhältnisses λ unter den avisierten konstanten Wert λziel während des Absenkens verhindern. Dies kann beispielsweise geschehen, wenn das Fahrzeug während der Absenkung des Verbrennungsluftverhältnisses λ einen größeren Höhenunterschied zurücklegt, beispielsweise auf einer Passstraße, und durch den damit einhergehenden Abfall des Luftdrucks weniger Verbrennungsluft der Brennkammer zugeführt wird.
  • Beschrieben wird weiterhin ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät mit einem Steuergerät, das zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
  • Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes. Das beschriebene Verfahren 100 beginnt bei einem Start 110. Ausgehend von dem Start 110 wird überprüft, ob eine Bedingung erfüllt ist, Schritt 120. Als Bedingung kann beispielsweise die Betriebsdauer des Fahrzeugheizgerätes seit dem letzten Absenken herangezogen werden. Weiterhin kann auch die insgesamt verstrichene Zeit seit dem letzten Absenken als Bedingung herangezogen werden. Die mögliche Betriebsdauer zwischen zwei Absenkphasen kann beispielsweise zwischen 8 und 30 Stunden liegen. Besonders bevorzugt kann die Betriebsdauer zwischen 8 und 12 Stunden liegen, wobei wiederum vorzugsweise 10 Stunden als Betriebsdauer bis zum jeweils nächsten Absenken vorgesehen sein können. Die maximale Zeitspanne zwischen zwei Absenkungen kann beispielsweise 1 Jahr sein. Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist, Schritt 120-nein, wird wieder bei Start 110 fortgefahren. Ist die Bedingung erfüllt, Schritt 120-ja, wird mit einem Absenken in Schritt 130 fortgefahren. Neben den im Zusammenhang mit 1 explizit genannten Bedingungen, das heißt der Betriebsdauer des Fahrzeugheizgerätes seit der letzten Absenkung und der maximalen Zeitspanne seit dem letzten Absenken, können auch andere Bedingungen, die an anderer Stelle der vorliegenden Beschreibung genannt werden, zum Einleiten des Absenkens genutzt werden. In Schritt 130 erfolgt das Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ von einem Ausgangswert λstart > 1 in einen Wertebereich 1 < λ < λstart. Der Ausgangswert λstart kann beispielsweise 1,7 oder 1,8 sein. Der Wertebereich 1 < λ < λstart, in den abgesenkt wird, kann beispielsweise der Bereich von 1,1 bis 1,5 sein. Vorzugsweise kann das Absenken auf einen konstanten Wert λziel erfolgen. λziel kann beispielsweise 1,2 sein. Das Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses λ kann beispielsweise durch das Reduzieren der zugeführten Verbrennungsluft erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine Drosselung im Bereich der Luftzuführung oder eine reduzierte Gebläsedrehzahl erreicht werden, wobei das Gebläse Verbrennungsluft in die Brennkammer fördert. Weiterhin ist auch das Ändern der zugeführten Brennstoffmenge möglich, beispielsweise durch eine erhöhte Förderrate einer Brennstoffpumpe. Auch auf diese Weise kann das Verbrennungsluftverhältnis in den gewünschten Bereich verschoben werden. Die Reduzierung der zugeführten Verbrennungsluft hat gegenüber einer Erhöhung der zugeführten Brennstoffmenge den Vorteil, dass die Heizleistung des brennstoffbetriebenen Fahrzeuggerätes während der Absenkphase nahezu konstant bleibt, da die zugeführte Brennstoffmenge im Wesentlichen unverändert bestehen bleibt. Das Absenken kann im Wesentlichen nahezu stufenartig durch ein direktes Umschalten der entsprechenden Fördermittel für Verbrennungsluft und/oder Brennstoff auf die gewünschten Werte erreicht werden. Im Anschluss an das Absenken kann in einem Schritt 140 überprüft werden, ob die eingeleitete Absenkphase beendet werden soll. Ein entsprechendes Kriterium ist beispielsweise der Ablauf eines Zeitintervalls Δt, welches mit Beginn des Absenkens in Schritt 130 starten kann. Die Länge des Zeitintervalls Δt kann zwischen 2 und 5 Minuten, vorzugsweise 4 Minuten, betragen. Ein weiteres Kriterium für das Beenden der Absenkphase kann der Luftdruck in der Umgebung des Fahrzeugheizgerätes sein, da bei sinkendem Luftdruck eine geringere Luftmasse bei ansonsten gleichbleibendem Betrieb des Verbrennungsluftfördermittels in die Brennkammer gefördert wird. Wenn die Absenkphase noch nicht beendet werden soll, Schritt 140-nein, wird in einem anschließenden Schritt 160 im Wesentlichen nur der bisherige Betriebszustand gehalten, das heißt die Regeneration fortgesetzt. Hiervon ausgehend wird wieder überprüft, ob die Absenkphase beendet werden soll, Schritt 140. Ist eine Bedingung zum Beenden der Absenkphase gegeben, Schritt 140-ja, wird in einem anschließenden Schritt 150 das Fahrzeugheizgerät wieder in den ursprünglichen Betriebszustand zurückgeführt. Dies kann beispielsweise durch Anheben der zugeführten Verbrennungsluftmenge und/oder Reduzierung der zugeführten Brennstoffmenge auf die ursprünglichen Ausgangswerte erfolgen, je nachdem wie die Absenkung zuvor erfolgte. Anschließend kann bei Schritt 110 das Verfahren 100 neu gestartet beziehungsweise fortgesetzt werden.
  • 2 zeigt schematisch ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät 10. Das brennstoffbetriebene Fahrzeugheizgerät 10 verfügt über eine Brennstoffleitung 12 und eine Verbrennungsluftleitung 14 über der dem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät Brennstoff beziehungsweise Verbrennungsluft zugeführt wird. Der zugeführte Brennstoff kann durch eine Brennstoffpumpe 20 dosiert und in eine Brennkammer 32 gefördert werden. In der Brennkammer 32 ist eine Düse 30 angeordnet, die dem Zerstäuben des zugeführten Brennstoffs dient. Die dem brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerät 10 zugeführte Verbrennungsluft kann über eine Luftregelvorrichtung 18, beispielsweise ein Gebläse und/oder eine Drosselvorrichtung, ebenfalls der Brennkammer 32 zugeführt werden. Der zerstäubte Brennstoff und die zugeführte Verbrennungsluft bilden innerhalb der Brennkammer ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ in Abhängigkeit von pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoff- und Luftmasse. Eine Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses λ kann über ein Steuergerät 16 vorgenommen werden, welches über eine Steuerleitung 22 die Luftregelvorrichtung 18 ansteuert, und über eine weitere Steuerleitung 24 die Brennstoffpumpe 20 ansteuert. Eine Abgasabführung des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes ist in 2 nicht explizit dargestellt, jedoch zweifellos vorhanden. In der Abgasabführung können ebenfalls nicht dargestellte Sensoren vorhanden sein, die beispielsweise Abgasemissionswerte des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes, beispielsweise die Rußzahl und die Kohlenmonoxidbelastung, überwachen können. In 2 dargestellt ist ein Sensor 28, der beispielsweise einen Umgebungsdruck im Bereich des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes 10 erfassen kann. Das Steuergerät 16 kann insbesondere zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Fahrzeugheizgerät
    12
    Brennstoffleitung
    14
    Verbrennungsluftleitung
    16
    Steuergerät
    18
    Luftregelvorrichtung
    20
    Brennstoffpumpe
    22
    Steuerleitung
    24
    weitere Steuerleitung
    28
    Sensor
    30
    Düse
    32
    Brennkammer
    100
    Verfahren
    110
    Start
    120
    Bedingung erfüllt?
    130
    Absenken
    140
    Beenden?
    150
    Zurückführen
    160
    Halten

Claims (8)

  1. Verfahren (100) zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes (10), umfassend das Absenken (130) eines Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen zugeführter Verbrennungsluft und zugeführtem Brennstoff in einer Brennkammer (32) des brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgerätes (10) für ein Zeitintervall Δt von einem Ausgangswert λstart > 1 in einen Bereich λ < λstart.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Verbrennungsluftverhältnis λ in dem Bereich λ < λstart während des Zeitintervalls Δt in einem konstanten Wertebereich gehalten wird.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Anschluss an das Zeitintervall Δt das Verbrennungsluftverhältnis λ in einen Endwertebereich des Verbrennungsluftverhältnisses mit λ > 1 zurückgeführt wird.
  4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Länge des Zeitintervalls Δt zwischen 2 min und 5 min liegt.
  5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine der Brennkammer (32) zugeführte Verbrennungsluftmenge verringert wird und/oder eine der Brennkammer (32) zugeführte Brennstoffmenge erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der Anspruche 5, wobei die der Brennkammer (32) zugeführte Verbrennungsluftmenge und/oder die der Brennkammer (32) zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit von einem durch einen Sensor (28) erfassten Luftdruck bestimmt wird.
  7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Absenken (130) des Verbrennungsluftverhältnisses λ in den Bereich λ < λstart basierend auf einer Betriebsdauer des Fahrzeugheizgerätes (10) seit dem letzten Absenken (130) eingeleitet wird und/oder basierend auf einem von einem Sensor (28) erfassten Luftdruck beendet wird.
  8. Brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät (10) mit einem Steuergerät (16), das zur Ausführung des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
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