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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Brennluftstroms
bei einem Heizgerät, insbesondere
bei einem mobilen Kraftfahrzeug-Heizgerät, mit den Schritten: Fördern eines
Brennluftstroms mit einem Brennluftgebläse zu einer Brennkammer und
Vorsehen eines Glühstiftes
an der Brennkammer zum Zünden
und/oder Überwachen einer
in der Brennkammer brennenden Flamme. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Kalibrieren der Brennluftförderung bei einem Heizgerät, insbesondere
bei einem mobilen Kraftfahrzeug-Heizgerät, mit den Schritten: Fördern eines
Brennluftstroms mit einem Brennluftgebläse zu einer Brennkammer mit
einer Nenngebläseleistung
bei der eine im Wesentlichen optimale Verbrennung in der Brennkammer
geschaffen ist, und Vorsehen eines Glühstiftes an der Brennkammer
zum Zünden
und/oder Überwachen
einer in der Brennkammer brennenden Flamme.
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Die
oben genannten Verfahren zum Steuern und Kalibrieren der Brennluftförderung
werden bei Heizgeräten
angewendet, die beispielsweise bei Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen
als Zuheizer oder Standheizung zum Einsatz kommen.
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Bei
diesen Heizgeräten
werden entsprechend der Art des Wärmeträgers in einem zugehörigen Wärmetauscher
Luft- und Wasserheizgeräte
unterschieden. Der Wärmetauscher
ist an einer Brennkammer des Heizgerätes angeordnet, in der durch Zufuhr
von Brennstoff und Brennluft eine Flamme gezündet werden kann. Bei bekannten
Heizgeräten
erfolgt das Zünden über einen
so genannten Glühstift. Dieses
Bauteil aus Wolfram oder Keramik wird über elektrischen Strom bis
zum Glühen
erhitzt und verdampft und zündet
damit den in die Brennkammer eingebrachten Brennstoff.
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Der
Brennstoff selbst wird mit einer Dosierpumpe mit relativ hoher Genauigkeit
in die Brennkammer eingefördert.
Um eine gute bzw. optimale Verbrennung d.h. einen stabilen Brennprozess
mit einem geringen Schadstoffausstoß, zu erzielen, muss die Brennluft
zum Brennstoff in einem stöchiometrischen
Verhältnis
zudosiert werden. Hierbei entstehen teilweise Ungenauigkeiten, die
in verschiedenen Faktoren begründet
sind:
- 1. Das Brennluftgebläse selbst ist durch seinen konstruktiven
Aufbau mit über
der Lebensdauer veränderten
Toleranzen behaftet (Motorwirkungsgrad, Spaltemaße des Flügelrades usw.);
- 2. Aufgrund von Temperaturunterschieden der angesaugten Luft
verändert
sich die Dichte der Brennluft und damit zugleich die pro Zeiteinheit zur
Brennkammer geförderte
Brennluftmasse;
- 3. Aufgrund einer veränderten
Luftdichte (beispielsweise in verschiedenen Höhen über dem Meeresspiegel) verändert sich
ebenfalls die Dichte der Brennluft. Zum Beispiel ist gemäß der sogenannten
isothermen und barometrischen Höhenformel
die Dichte von Luft bei 1500 m über
Meereshöhe
ca. 20% niedriger als die Dichte von Luft auf Meereshöhe.
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Um
solchen Ungenauigkeiten Rechnung zu tragen, ist es aus
DE 100 50 513 A1 bekannt,
bei einem Fahrzeug-Heizgerät
in einem Verbrennungsluftkanal einen Verbrennungsluft-Massenstromsensor anzuordnen.
Als Massenstromsensor wird ein PTC-Element verwendet.
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Aus
DE 195 48 225 A1 ist
ein brennstoffbetriebenes Heizgerät bekannt, bei dem extern oder auch
im Heizgerät
ein Drucksensor angeordnet ist, mittels dem sowohl atmosphärische als
auch systembedingte Luftdruckveränderungen
korrigierbar sein sollen.
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Aus
DE 44 47 286 A1 ist
ein Fahrzeugheizgerät
mit geregeltem Verbrennungsluftgebläse bekannt, bei dem zur Erzielung
einer stets optimalen Verbrennung im Verbrennungsluftkanal ein Luftmassenstromsensor
angeordnet ist und die Drehzahl eines Elektromotors für das Verbrennungsluftgebläse in Abhängigkeit
des gemessenen Luftdurchsatzes geregelt wird.
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Aus
DE 101 44 404 A1 ist
ein mobiles Zusatzheizgerät
mit Ermittlung der Luftdichte bekannt, bei dem eine Signaleinrichtung
dazu eingerichtet ist, die Luftdichte anhand der Drehzahl und der
Leistungsaufnahme eines Gebläsemotors
eines zugehörigen
Fahrzeugs zu ermitteln.
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Aus
DE 101 40 972 A1 ist
ein Verfahren zum Steuern des Brennluftstroms eines Heizgeräts bekannt,
bei dem ein erster Parameter zum Ansteuern eines Glühstifts
definiert gewählt
wird, der Wert einer Messgröße an dem
Glühstift
ermittelt und der eine erste Parameter zum Ansteuern des Glühstifts
und die eine Messgröße an dem
Glühstift
zum Ermitteln einer Größe herangezogen
wird, die ein Maß für die Temperatur
der Ansaugluft ist.
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Die
oben genannten bekannten Vorgehensweisen zur Regelung bzw. Steuerung
des Brennluftstroms bei Heizgeräten
sind allesamt vergleichsweise aufwendig und erfordern meist zusätzliche
Bauteile deren Konstruktion, Herstellung, Montage und Wartung zusätzliche
Kosten mit sich bringen.
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Anderseits
begrenzt die vergleichsweise hohe Toleranz in der Brennluftfördermenge
heutiger fossiler Heizgeräte
deren Einsatz auf ca. 1800 m über
Meereshöhe.
Oberhalb dieser Grenze wird das Brennstoff-Brennluftgemisch derart
fett, dass der zugehörige
Brenner unverhältnismäßig viele
Verbrennungsrückstände erzeugt
und/oder erhebliche Rußmengen
ausstößt. Über einen
längeren
Zeitraum hinweg führt
der Ausstoß von
Verbrennungsrückständen zur
Versottung und damit zum Versagen des Brenners.
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Generell
kann gesagt werden, dass ein Abweichen vom idealen Gemischverhältnis Brennstoff-Brennluft
eines Brenners in gewissen Grenzen toleriert werden kann. Außerhalb
dieser Grenzen ergeben sich jedoch hohe Emissionen im Abgas des Heizgerätes, Fehlstarts
und Flammabrisse. Dies mindert den Kundennutzen eines Heizgerätes und
begrenzt seine Lebensdauer.
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Zugrundeliegende
Aufgabe
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern und zum Kalibrieren
der Brennluftförderung
bei einem Heizgerät
zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile überwunden
und auf kostengünstige
Weise das Brennstoff-Brennluft-Verhältnis in
engen Grenzen gesteuert bzw. geregelt werden kann.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
eingangs genannten Verfahren zum Steuern des Brennluftstroms bei
einem Heizgerät
gelöst,
das die Schritte umfasst: Ermitteln der vom Brennluftstrom am Glühstift pro
Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge
und Ermitteln der vom Brennluftgebläse pro Zeiteinheit geförderten
Brennluftmasse auf der Grundlage der ermittelten vom Brennluftstrom
am Glühstift
pro Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge. Ferner
ist die Aufgabe mit einem oben genannten Verfahren zum Kalibrieren
der Brennluftförderung
bei einem Heizgerät
gelöst,
das die Schritte umfasst: Ermitteln eines physikalischen Wertes,
der der vom Brennluftstrom am Glühstift
pro Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge
während
einer im Wesentlichen optimalen Verbrennung entspricht, Speichern
des physikalischen Wertes und Verändern der Gebläseleistung
während
eines nachfolgenden Betriebs des Heizgerätes bis die vom Brennluftstrom
am Glühstift pro
Zeiteinheit abgeführte
Wärmemenge
dem gespeicherten physikalischen Wert entspricht.
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Erfindungsgemäß wird zum
Steuern des Brennluftstroms bei einem Heizgerät die pro Zeiteinheit von dem
zugehörigen
Brennluftgebläse
geförderte
Brennluftmasse in Abhängigkeit
von der am Glühstift
des Heizgeräts
pro Zeiteinheit abgeführten Wärmemenge
gesteuert. Der Glühstift
wird dabei als Detektionselement für den Brennluftmassenstrom nach
Art eines Hitzdrahtanimometers verwendet.
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Das
Funktionsprinzip ist wie folgt: Der Glühstift ragt in den Brennluftstrom,
seine Kühlung
hängt somit
direkt von der pro Zeiteinheit vorbeiströmenden Brennluftmasse ab. Strömt eine
vergleichsweise große
Brennluftmasse am Glühstift
vorbei, so wird dieser verstärkt
gekühlt.
Da die Glühstifttemperatur
typischerweise über
1200°C liegt,
spielen bei der erfindungsgemäßen Ermittlung
der pro Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge
Temperaturschwankungen der Brennluft selbst (auch ohne Verbrennung)
nahezu keine Rolle. Die am Glühstift
pro Zeiteinheit abgeführte
Wärmemenge
ergibt wie bei einem Hitzdrahtanimomemter eine Grundinformation,
aus der auf die pro Zeiteinheit geförderte Brennluftmasse rückgeschlossen
werden kann. Auf der Grundlage der derart ohne zusätzlichen
Aufwand ermittelten pro Zeiteinheit geförderten Brennluftmasse kann
nachfolgend beispielsweise das Brennluftgebläse des zugehörigen Heizgerätes entsprechend
betrieben und in seiner Leistung reguliert werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Kalibrieren der Brennluftförderung
bei einem Heizgerät
wird beispielsweise am Ende einer Fertigungslinie für Heizgeräte ein fertigmontiertes
Gerät in
Betrieb gesetzt und über
Parameter in einem Steuergerät wird
das Brennluftgebläse
des Heizgerätes
so eingestellt, dass unter den vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnissen
eine optimale Verbrennung des zugeführten Brennstoffs gewährleistet
ist. Bei dieser Ersteinstellung eines Heizgerätes wird das Brennluftgebläse auf den
sogenannten Nennpunkt eingestellt. Während der Ersteinstellung wird
der Glühstift
des einzustellenden Heizgerätes
bestromt und am Nennpunkt des Brennluftgebläses die vom Brennluftstrom am
Glühstift
pro Zeiteinheit abgeführte
Wärmemenge mit
Hilfe des Signals des Glühstifts
ermittelt. Es wird also ein Signal bzw. ein physikalischer Wert
festge stellt, bei dem am Glühstift
pro Zeiteinheit die optimale Brennluftmasse vorbeigefördert und
damit eine optimale Verbrennung erzeugt wird.
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Der
Wert des Signals des Glühstifts
bei der optimalen Verbrennung wird in einem Speicher hinterlegt
und bei nachfolgenden Starts des Heizgerätes wird dann während einer
mehr oder weniger langen Glühphase
des Glühstifts
das Brennluftgebläse
z.B. kontinuierlich hochgefahren (wobei kein Brennstoff zugeführt wird),
bis der gespeicherte Wert des Signals des Glühstifts erreicht wird. Der
gespeicherte Wert dient nun als Referenzwert, bei dem wiederum pro
Zeiteinheit die optimale Brennluftmasse am Glühstift vorbeigefördert wird.
Durch eine entsprechende Zuregelung von Brennstoff kann nachfolgend
ohne Zusatzaufwand eine optimale Verbrennung eingestellt werden.
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Durch
diese Vorgehensweise wird das erfindungsgemäße Heizgerät „nachkalibriert", d.h. Einflüsse, wie
unterschiedliche Verbrennungslufttemperatur, Höhe über dem Meeresspiegel usw.,
werden auf einfache und kostengünstige
Art und Weise ausgeglichen. Erfindungsgemäß ist damit der Grundstein
für eine
optimale Verbrennung des Heizgerätes gelegt.
Die "Nachkalibrierung" kann während oder nach
jedem Start des Heizgerätes
erfolgen oder aber nur sporadisch, d.h. in längeren Zeitabständen, beispielsweise
nach Fehlstarts oder nur bei jedem n-ten Start (wobei n eine natürliche Zahl
ist). Durch eine nur sporadische "Nachkalibrierung" kann die Zeitdauer der Starts des Heizgerätes weiterhin
vergleichsweise gering gehalten werden. Die "Nachkalibrierung" kann ferner auch vorteilhaft während oder am
Ende des Brennbetriebs des Heizgerätes durchgeführt werden,
denn die bei der Kalibrierung in Betracht gezogenen Bauteile des
Heizgerätes
(d.h. insbesondere das Brennluftgebläse und dessen Motor) weisen
eine gewisse Langzeitstabilität
auf.
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Bei
einem Heizgerät
gemäß der Erfindung
ist man in der Lage verstopfte, zugesetzte oder fehlerhafte Luftansaugwege
oder Abgasstrecken zu detektieren. Dies gilt insbesondere für durch
Verbrennungsruß zugesetzte
Wärmeübertrager
und Abgasrohre, die sonst zu einem gefährlichen Betriebszustand eines
Heizgerätes
führen
könnten.
So könnte es
zu einer Überhitzung
eines Heizgerätes
durch zu geringen Luftdurchsatz und zu einem Entzünden von abgelagertem
Ruß und
damit zu Temperaturspitzen von bis zu 600°C im Abgastrakt kommen. Zu den
erfindungsgemäß erkannten
Fehlern an einem Heizgerät
gehören
auch Brennluftgebläsedefekte,
wie z.B. Lagerschäden,
die – falls
unentdeckt – ebenfalls
zu gefährlichen
Betriebszuständen
führen
könnten.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Steuern des Brennluftstroms bei einem Heizgerät wird beim
Regeln der Stromzufuhr zum Glühstift
dessen Widerstand im Wesentlichen konstant gehalten, die dem Glühstift zugeführte elektrische
Leistung ermittelt und dann die am Glühstift pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge
auf der Grundlage der ermittelten elektrischen Leistung bestimmt.
Der Glühstift
kann beispielsweise einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen,
der, wenn der Glühstift
so bestromt wird, dass sein Widerstandswert konstant ist, unabhängig von
der am Glühstift
abgeführten
Wärmemenge
eine konstante Temperatur aufweist. Bei konstanter Glühstiftstemperatur
ist dann die dem Glühstift
zugeführte
Leistung direkt proportional zu der pro Zeiteinheit am Glühstift vorbeiströmenden Brennluftmasse.
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Die
Stromzufuhr zum Glühstift
kann alternativ so geregelt werden, dass die zum Glühstift zugeführte elektrische
Leistung im Wesentlichen konstant ist. Bei einem Glühstift mit
konstant zugeführter
Leistung verändert
sich dessen Widerstand bzw. Temperatur in Abhängigkeit von der am Glühstift pro
Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge.
Die Wärmemenge kann
daher durch Ermitteln des Widerstandes des Glühstifts über den Zeitverlauf hinweg
bestimmt und zum Steuern des Brennluftgebläses des Heizgerätes genutzt
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Kalibrieren der Brennluftförderung
bei einem Heizgerät
ist der verwendete physikalische Wert vorteilhaft der Wert der Leistungsaufnahme
am Glühstift
während
einer im Wesentlichen optimalen Verbrennung oder alternativ der
Wert des Widerstandes des Glühstifts
während
der optimalen Verbrennung. Die dabei zugrundeliegenden Wirkprinzipien
entsprechen den oben erläuterten
Zusammenhängen
zwischen Leistungsaufnahme, Widerstandswert und Temperatur des Glühstifts.
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Als
physikalischer Wert kann darüber
hinaus auch vorteilhaft die Änderung
des Widerstands des Glühstifts
bei einer sprunghaften Änderung
der aufgenommen Leistung am Glühstift
und (sofern der Glühstiftwiderstand
temperaturabhängig
ist) der damit verbundenen Änderung
der Glühstift-Temperatur verwendet
werden. Die Leistungsaufnahme am Glühstift kann z.B. durch eine
rechteckförmige
Leistungsmodulation mit oder ohne Gleichleistungsanteil sprunghaft
geändert
werden. Dieses Verfahren kann insbesondere bei einer am Glühstift brennenden Flamme
vorteilhaft sein, da durch die Modulation die Einflüsse der
hohen Umgebungs- bzw.
Flammtemperatur, die in der Nähe
der Glühstift-Temperatur
liegt und sich zeitlich langsam ändert,
herausgerechnet werden kann. Sowohl bei niedriger als auch hoher aufgenommener
elektrischer Leistung des Glühstifts ist
der „Beitrag" der (im wesentlichen
konstant brennenden) Flamme an der Erwärmung des Glühstifts und
damit am absoluten Glühstiftwiderstand
gleich groß.
Der "Beitrag" bzw. Anteil der
Flamme an der Erwärmung
des Glühstifts
kann beispielsweise durch Subtraktion der zeitlich folgenden Signalanteile
der sprunghaften Änderung
des Glühstiftwiderstandes eliminiert
werden. Mit einer Mittelwertbildung über mehrere Perioden einer
solchen sprunghaften Signaländerung,
die meist in Gestalt einer Rechteckspannung gemessen wird, kann
der Einfluss von möglichen
kurzzeitigen Schwankungen in der Form und Größe der Flamme auf das Messsignal
weiter verringert werden. Durch Einsatz von Filtertechniken, wie z.B. „lock-in-Verstärkern" bzw. so genannten
phasensensitiven Detektoren, kann damit auch bei einem vergleichsweise
hohen Rauschanteil im Messsignal, verursacht durch die Temperaturfluktuationen
in der Flamme, noch ein zuverlässiges
Signal, das als Maß für den Brennluft-
bzw. Gas-Massenstrom dient, ermittelt werden.
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Ferner
kann auf der Grundlage der oben beschriebenen Wirkprinzipien als
physikalischer Wert vorteilhaft die aufgenommene elektrische Leistung des
Glühstifts
vor und nach einer sprunghaften Änderung
des Widerstandes des Glühstifts
ermittelt werden.
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Nachfolgend
wir ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung detailliert erläutert.
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Bei
einem Wasserheizgerät
für ein
Kraftfahrzeug ist dessen Steuergerät dazu eingerichtet, dass der
eigentlich zum Zünden
und Überwachen
einer Flamme im Brenner vorgesehene Glühstift nach Art eines Hitzdrahtanimometers
zum Steuern und Kalibrieren des Brennluftstroms beim Heizgerät verwendet
werden kann.
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Zum
Kalibrieren der Brennluftförderung
an dem Heizgerät
wird am Ende einer Fertigungslinie des Heizgerätes dieses in Betrieb genommen
und über
interne Steuerparameter am Steuergerät des Heizgerätes wird
dessen Brennluftgebläse
so eingestellt, dass unter den an der Fertigungslinie vorliegenden
Umgebungsbedingungen, d.h. der vorliegenden Umgebungstemperatur
und dem vorliegenden Umgebungsdruck, eine optimale Verbrennung mit dem
gewünschten
stöchiometrischen
Verhältnis
von Brennstoff zu Brennluft gewährleistet
ist. Alternativ kann auch über
eine externe Luftmengenmessung die Drehzahl des Brennluftgebläses so eingestellt werden,
dass sie dem gewünschten
Brennluftmassenstrom für
eine optimale Verbrennung entspricht und die dazu nötige Gebläseleistung,
insbesondere die Gebläsespannung,
ermittelt werden. Zum Kalibrieren der Brennluftförderung kann diese Gebläseleistung
dann erneut eingestellt werden.
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In
der sich anschließenden
eigentlichen Kalibrierphase wird der Glühstift bestromt und dessen Widerstandswert
bzw. dessen Leistungsaufnahme durch das im Heizgerät eingebaute
Steuergerät
gemessen. Der gemessene Wert wird als Referenzwert in einem Speicher
des Steuergerätes
abgelegt.
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Bei
jedem nachfolgenden Start des Heizgerätes, der durch eine mehr oder
weniger lange Glühphase
des Glühstifts
charakterisiert ist, wird die Förderleistung
des Brennluftgebläses
kontinuierlich erhöht
ohne dass Brennstoff zum Brenner zugeführt wird. Die dabei pro Zeiteinheit
geförderte
Brennluftmasse wird solange gesteigert, bis der gespeicherte Referenzwert
des Widerstandes bzw. der Leistungsaufnahme des Glühstifts
erreicht wird.
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Beim
Erreichen des Referenzwertes fördert das
Brennluftgebläse
pro Zeiteinheit gerade jene Brennluftmasse, die es auch bei der
erstmaligen Kalibrierung an der Fertigungslinie gefördert hat,
denn bei Erreichen des Referenzwertes weist der Glühstift den
selben Widerstand bzw. die gleiche Leistungsaufnahme auf, sodass
davon ausgegangen werden kann, dass an ihm pro Zeiteinheit die selbe
Wärmemenge
abgeführt
wird. Wenn die abgeführte
Wärmemenge
dieselbe ist, kann rückgeschlossen
werden, dass auch die pro Zeiteinheit geförderte Brennluftmasse gleich
groß ist.
Damit ist für
die Verbrennung im Brenner des Heizgerätes dasselbe stöchiometrische
Verhältnis
von Brennstoff zu Brennluft eingestellt, wie ursprünglich bei
der erstmaligen Kalibrierung des Heizgerätes an der Fertigungslinie.
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Durch
den oben genannten Vorgang wird das Heizgerät also auf eine optimale Verbrennung nachkalibriert,
d.h. Einflüsse
wie unterschiedliche Verbrennlufttemperatur, Höhe über Meereshöhe und so weiter werden ausgeglichen.
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Für den Fall,
dass die Förderleistung
des Brennluftgebläses
nicht ausreicht, um die pro Zeiteinheit notwendige Brennluftmasse
zum Brenner zu fördern,
deutet dies auf einen Fehler am Heizgerät hin und es kann in eine Fehlerroutine
ver zweigt und/oder der Start des Heizgerätes abgebrochen werden. Damit
ist man in der Lage, verstopfte, zugesetzte oder fehlerhafte Luftansaugwege
oder Abgaswege des Heizgerätes
zu detektieren.
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Durch
die erfindungsgemäße Verwendung eines
bereits am Heizgerät
vorhandenen Glühstifts als
Detektionselement für
den Brennluftmassenstrom nach Art eine Hitzdrahtanimometers, kann
auf kostengünstige
Weise die pro Zeiteinheit geförderte Brennluftmasse
präzise
ermittelt und das Heizgerät entsprechend
gesteuert werden.
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Der
erfindungsgemäße Glühstift weist
einen temperaturabhängigen
Widerstand auf, der durch eine aktive Regelung, unabhängig von
der am Glühstift
pro Zeiteinheit abgeführten
Wärmemenge
auf konstanter Temperatur gehalten wird. Da der Glühstift in
die Brennluftströmung
ragt, hängt
seine Kühlung
direkt von der pro Zeiteinheit vorbeiströmenden Brennluftmasse ab. Die
dem Glühstift
zugeführte elektrische
Leistung ist bei konstanter Glühstifttemperatur
direkt proportional zu der pro Zeiteinheit vorbeiströmenden Brennluft-
masse.
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Da
die Glühstifttemperatur
typischerweise über
1200°C liegt,
spielen bei der Messung der abgeführten Wärmemenge Temperaturschwankungen
der Brennluft selbst (auch ohne Verbrennung) nahezu keine Rolle.
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Abschließend sei
angemerkt, dass sämtlichen
Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den
abhängigen
Ansprüchen genannt
sind, trotz dem vorgenommenen formalen Rückbezug auf einen oder mehrere
bestimmte Ansprüche,
auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz
zukommen soll.