DE19548226A1 - Brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere Zuheizer für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere Zuheizer für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brenn­ stoffdosierpumpe und/oder einem Verbrennungsluftgebläse.

Bei einem bekannten brennstoffbetriebenen Heizgerät findet die Verbrennung von Brennstoff, zumeist Benzin oder Diesel­ brennstoff, in der Brennkammer unter Luftüberschuß statt. Dies bedeutet, daß im Abgas noch Sauerstoff enthalten ist bzw. daß keine stöchiometrisch vollständige Verbrennung vorliegt. Der verbrennungstechnische Funktionsbereich der Brennkammer erstreckt sich über einen Lamba-Bereich (mög­ liche Luft-Brennstoff-Verhältnisse innerhalb des Funktions­ bereiches). Um den Betrieb des Gerätes in diesem Bereich sicherzustellen, wird bei der Montage eines bekannten Heiz­ gerätes bzw. des Gebläses die Verbrennungsluftmenge durch eine veränderliche Bypassöffnung oder bei der Brennstoffdo­ sierpumpe die Brennstoffmenge durch eine Einstellschraube eingestellt. Dies erfordert einen hohen Bauaufwand eines Heizgerätes und lange Einstellzeiten.

Beim Betrieb eines Heizgerätes kann der vorgenannte Funk­ tionsbereich aus folgenden Gründen verlassen werden:

• - Verdämmung der Verbrennungsluftansaugung oder des Abgas­ austritts, wodurch die Verbrennungsluftmenge vermindert wird.
• - Zusetzung eines am Heizgerät angeschlossenen Wärmetau­ schers durch Verbrennungsrückstände, wodurch im Betrieb die Verbrennungsluftmenge ebenfalls vermindert wird.
• - Änderung des Verbrennungsluftmassenstroms beim Betrieb des Heizgerätes in verschiedenen Höhen über Normalnull NN.

Wird der Funktions- oder Lamba-Bereich verlassen, verschlech­ tern sich die Verbrennungswerte. Das Heizgerät läuft nicht mehr einwandfrei und ist ausfallgefährdet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines brennstoffbe­ triebenen Heizgerätes der eingangs genannten Art, welches bei einfachem Aufbau und in jeder Betriebslage effektiv und zuverlässig mit guten Verbrennungswerten umweltschonend be­ trieben werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein brennstoffbetriebenes Heizgerät der im Patentanspruch I angegebenen Art.

Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Wesen der Erfindung ist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät (beispielsweise ein Zuheizer für ein Kraftfahrzeug, eine motorunabhängige Kraftfahrzeug-Standheizung, aber auch ein Brenner für Rußfilteranlagen, Kocher oder dergleichen), mit einem Verbrennungsregelkreis auszustatten, durch welchen ein vorgegebenes Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Brennkammer des Heizgeräts ("Lamba-Wert") unter Ansteuerung der regelbaren Brennstoffdosierpumpe und/oder des regelbaren Verbrennungsluftgebläses konstant gehalten werden kann.

Das Heizgerät weist zweckmäßigerweise in der Brennkammer einen den aktuellen Lamba-Wert ermittelnden Meßsensor auf, durch welchen über einen Regler die Brennstoffdosierpumpe und/ oder das Verbrennungsluftgebläse ansteuerbar ist, wobei der Regler gegebenenfalls im Steuergerät des Heizgerätes integriert ausgebildet sein kann. Der Meßsensor ermittelt den momentanen Lamba-Wert. Der Regler vergleicht diesen Lam­ ba-Wert mit dem Sollwert (Führungsgröße) und steuert nach einem festgelegten Regelgesetz das Verbrennungsgebläse und/oder die Brennstoffdosierpumpe an. Weicht der ermittelte Lamda-Wert vom Sollwert ab, wird korrigiert.

Anstelle der Brennstoffdosierpumpe kann das Heizgerät auch ein Taktventil besitzen. Es versteht sich, daß in diesem Fall dann gegebenenfalls das Taktventil angesteuert wird. Die Ausführungsvariante mit Taktventil liegt im Rahmen des beanspruchten Schutzes der Erfindung.

Der Start des Heizgerätes kann von der Regelung unbeeinflußt geschehen. Die Regelung kann erst bei Beharrung in der Ver­ brennung einsetzen. Dadurch kann die Heizleistungssteuerung einfach gestaltet werden.

Eine besonders einfach gestaltete Anordnung eines Heizgerä­ tes mit Verbrennungsregelkreis ergibt sich, wenn die Brenn­ stoffdosierpumpe oder das Verbrennungsluftgebläse von Hand einstellbar und der andere andere Teil - Verbrennungsluftge­ bläse oder Brennstoffdosierpumpe - über den Verbrennungsre­ gelkreis ansteuerbar ist, d. h. die dem Heizgerät zugeführte Verbrennungsluftmenge automatisch nachgefahren werden oder die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge automatisch herabgeregelt werden kann.

Der Meßsensor kann bevorzugt ein Temperatursensor, ein Lamba­ sensor oder ein Lichtsensor sein. Denkbar sind jedoch auch andere Sensoren, die zu einer Lamba-Bestimmung geeignet sind.

Ist ein Temperatursensor vorgesehen, ist dieser bevorzugt axial in der Brennkammer insbesondere im Bereich einer Flamm­ blende angeordnet, wobei die Spitze des Temperatursensors hinter der Flammblende liegt. Ein Temperatursensor erfaßt die Flammtemperatur, die entsprechend einer dem Temperatur­ sensor eigenen Kennlinie direkt auf den Lamba-Wert zurück­ schließen läßt. Ein Temperatursensor kann grundsätzlich auch zur Flammenerkennung eingesetzt werden.

Ein Lambasensor ist ähnlich den Magermixsonden im Personen­ kraftwagenbereich aufgebaut.

Ein Lichtsensor mißt die Leuchtkraft der Flamme, die um so höher ist, je größer der Rußanteil (Unterschied Blaubrenner- Gelbbrenner) in der Flamme ist.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

• 1. Der aufwendige Einstellprozeß bei der Fertigung des Heizgerätes wird vermieden.
• 2. Ein Bypass fällt weg.
• 3. Das Heizgerät läuft über die Lebensdauer auch bei zuneh­ mender Wärmetauscherverschmutzung betriebssicher.
• 4. Der Betriebsbereich (Lamba-Bereich) der Brennkammer kann im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen klein sein (geringer Entwicklungsaufwand).
• 5. Die Brennstoffdosierpumpeneinstellung kann im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen ungenau sein (einfache Fertigung).
• 6. Die in jedem Betriebsfall erhaltenen guten Verbrennungs­ werte insbesondere in unterschiedlicher Meereshöhe er­ füllen ein hohes schadstoffarmes Abgasniveau und mögli­ cherweise zukünftig vorhandene noch strengere Gesetzes­ auflagen, da die tatsächliche Verbrennung der optimalen Verbrennung angenähert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein brennstoffbetriebenes Heizgerät im Bereich der Brennkammer in einem schematischen Axialschnitt,

Fig. 2 einen schematischen Funktionsbereich der Brennkam­ mer nach Fig. 1 in Abhängigkeit vom Schadstoffaus­ stoß,

Fig. 3 einen schematischen Funktionsbereich der Brennkam­ mer nach Fig. 1 in Abhängigkeit der Temperatur eines individuellen Temperatursensors mit entspre­ chender Kennlinie K,

Fig. 4 einen schematischen Verbrennungsregelkreis eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes mit der Regel­ größe Verbrennungsluftvolumenstrom, und

Fig. 5 einen schematischen Verbrennungsregelkreis ähnlich der Fig. 4 mit der Regelgröße Brennstoffvolumen­ strom.

Gemäß Zeichnung umfaßt ein brennstoffbetriebenes Heizgerät 1 eine Brennstoffdosierpumpe 2 und ein Verbrennungsluftgebläse 3.

In der Brennkammer 4 des Heizgeräts 1 befindet sich in axia­ ler Erstreckung ein Meßsensor 5 in Form eines Temperatursen­ sors, welcher auf der Eintrittsseite des Brennstoffs 16 und der Verbrennungsluft 15 in der Brennkammer 4 zentral befes­ tigt ist. Der Temperatursensor erstreckt sich durch eine zen­ trale Öffnung einer Flammblende 8. Hierbei liegt die Spitze des Temperatursensors im wesentlichen im Zentrum der Flamme 19 des Heizgerätes 1 im Betrieb.

Die Brennkammer 4 des Heizgeräts 1 wird in einem verbren­ nungstechnischen Funktionsbereich F eines akzeptablen Luft- Brennstoff-Verhältnisses betrieben, wie es etwa in Fig. 2 gezeigt ist. Die Grenze G stellt hierbei den maximal gestat­ teten Schadstoffausstoß an CO und Ruß einer Verbrennung dar. Der Funktionsbereich, auch Lamba-Bereich bezeichnet, defi­ niert eine zu fette und eine zu magere Verbrennung links bzw. rechts des Funktionsbereiches F, bei der der Ruß- und Kohlenstoffmonixidgehalt im Abgas typischerweise sprunghaft ansteigt. Werden die Grenzwerte bei z. B. Fahrzeugheizungen überschritten, treten Schäden oder zumindest Beeinträchtigun­ gen am Gerät ein.

Während eines Betriebs des Heizgeräts im Fahrzeug kann der Funktionsbereich F oder Lamba-Bereich aus verschiedenen Grün­ den verlassen werden, z. B. bei einem Betrieb des Heizgeräts 1 in großer Höhe über Normalnull NN. Die geringe Luftdichte in dieser großen Höhe, beispielsweise in 2000 m Höhe im Ge­ birge, verschiebt den aktuellen Lamba-Wert möglicherweise außerhalb des Funktionsbereich F gemäß Fig. 2 nach links: die Verbrennung wird aufgrund der zu wenig zugeführten Luft zu fett.

Es ist nun vorgesehen, das Heizgerät 1 über einen Verbren­ nungsregelkreis 10 immer mit dem gleichen eingestellten Lamba-Wert durch Ansteuerung des Verbrennungsluftgebläses 3 und/oder der Brennstoffdosierpumpe 2 zu betreiben.

Dies geschieht im Ausführungsbeispiel der Zeichnung mit Hil­ fe des vorgenannten Temperatursensors, welcher in der Brenn­ kammer 4 angeordnet ist. Der Sensor erfaßt die aktuelle Flammtemperatur, die direkt auf den Lamba-Wert gemäß Fig. 3 zurückschlißen läßt. Dem gezeigte Temperaursensor ist bei­ spielsweise die Kennlinie K zugeordnet.

Die Verbrennungsregelung des Heizgeräts erfolgt nun so, daß in der Brennkammer immer eine (Flamm-)Temperatur T gehalten wird, welche dem Sollwert S des zugrundliegenden konstant zu haltenden Lamda-Werts (λ₀) entspricht.

Eine Variante eines Verbrennungsregelkreises 10 ist in Fig. 4 gezeigt, welche als Regelgröße den Verbrennungsluftvolumen­ strom vorsieht. In Fig. 4 sind die Signalströme strichliert und die Stoffströme in ausgezogener Linie dargestellt. Im Betrieb gibt ein Heizleistungs-Steuergerät 7 ein Steuersig­ nal 17 an die Brennstoffdosierpumpe 2 ab. Entsprechend der eingestellten Pumpenfrequenz wird Brennstoff 16 der Brennkam­ mer 4 des Heizgeräts zur Verfügung gestellt.

Gleichzeitig wird über ein von einem Elektromotor 9 angetrie­ benes Verbrennungsluftgebläse 3 Verbrennungsluft 15 der Brennkammer 4 zugeführt. In der Brennkammer verbrennt das Brennstoff-Luft-Gemisch mit Ableitung des Abgases 18 aus der Brennkammer. In der Brennkammer 4 "mißt" der Temperatursen­ sor die Verbrennungqualität durch Feststellung der aktuellen Flammtemperatur.

Weicht die Flammtemperatur T vom Sollwert S ab, liefert der Meßsensor 5 ein Steuersignal 13 an einen Regler 6. Der Reg­ ler 6 vergleicht diesen aktuellen Wert mit dem Sollwert (Füh­ rungsgröße) und steuert nach einem festgelegten Regelgesetz über das Steuersignal 14 (Stellgröße/ Spannung) den Elektro­ motor 9, der in einer Antriebsverbindung mit dem regelbaren Verbrennungsluftgebläse 3 steht. Weicht also die ermittelte Flammtemperatur bzw. der ermittelte Lamba-Wert vom Sollwert ab, wird korrigiert: es wird gemäß Fig. 4 die Verbrennungs­ luft 15 automatisch nachgeführt, je nachdem, welche Brenn­ stoffmenge 16 gerade mit Hilfe des Heizleistungs-Steuerge­ räts 7 der Brennstoffdosierpumpe 2 eingestellt ist, und/oder es die aktuelle Situation eines Heizgerätes verlangt, bei­ spielsweise dann, wenn trotz Konstanthaltung des Steuersig­ nals 17 des Heizleistungs-Steuergeräts 7 weniger Verbren­ nungsluft 15 der Brennkammer 4 aufgrund der Tatsache zuge­ führt wird, weil sich das Heizgerät 1 gerade in größer Höhe befindet oder eine Verdämmung der Verbrennungsluftansaugung oder des Abgasaustritts eingetreten ist.

Eine weitere Variante eines Verbrennungsregelkreises 10 ist in Fig. 5 veranschaulicht, bei dem als Regelgröße der Brenn­ stoffvolumenstrom der Brennstoffdosierpumpe vorgesehen ist. Die Stellgröße 14 steuert hierbei die Frequenz der Brenn­ stoffdosierpumpe 2, nicht das Gebläse 3 des vorgenannten Aus­ führungsbeispieles. Ansonsten entspricht der Regelkreis im wesentlichen der Variante nach Fig. 4, wobei der Elektromo­ tor 9 durch Handbetätigung in unterschiedliche Betriebsstufen eingestellt werden kann. Auch der Brennstoffdosierpumpe 2 kann eine automatische oder von Hand einstellbare Heizlei­ stungssteuerung 7 zugeordnet sein, wie dies bei der Variante nach Fig. 4 der Fall ist.

Es sei noch angemerkt, daß in den Unteransprüchen enthaltene selbständig schutzfähige Merkmale trotz der vorgenommenen formalen Rückbeziehung auf den Hauptanspruch entsprechenden eigenständigen Schutz haben sollen. Im übrigen fallen sämtliche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfinderischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (8)

1. Brennstoffbetriebenes Heizgerät (1), insbesondere Zuhei­ zer für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennstoffdosier­ pumpe (2) und/oder einem Verbrennungsluftgebläse (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgerät (1) einen Verbrennungsregelkreis (10) aufweist, durch welchen ein vorgegebenes Luft-Brenn­ stoff-Verhältnis (λ₀) in der Brennkammer (4) des Heiz­ geräts ("Lamba-Wert") unter Ansteuerung der regelbaren Brennstoffdosierpumpe (2) und/oder des regelbaren Verbrennungsluftgebläses (3) konstant gehalten werden kann.

2. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgerät (1) in der Brennkammer (4) einen den aktuellen Lamba-Wert ermittelnden Meßsensor (5) auf­ weist, durch welchen über einen Regler (6) die Brenn­ stoffdosierpumpe (2) und/ oder das Verbrennungsluftgeblä­ se (3) ansteuerbar ist.

3. Heizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor (5) ein Temperatursensor, ein Lamba­ sensor oder ein Lichtsensor ist.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsregelkreis (10) bei Start des Heiz­ gerätes (1) außer Betrieb gesetzt und während eines Heizgeräte-Betriebs zuschaltbar ist.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) im Steuergerät (7) des Heizgerätes integriert ausgebildet ist.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdosierpumpe (2) oder das Verbrennungs­ luftgebläse (3) von Hand einstellbar und der andere an­ dere Teil - Verbrennungsluftgebläse oder Brennstoffdo­ sierpumpe - über den Verbrennungsregelkreis (10) ansteu­ erbar ist, d. h. die dem Heizgerät zugeführte Verbren­ nungsluftmenge (15) oder die dem Heizgerät zugeführte Brennstoffmenge (16) automatisch nachgefahren werden kann (Fig. 4 und 5).

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor axial in der Brennkammer (4) des Heizgeräts (1) angeordnet ist.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor im Bereich einer Flammblende (8) angeordnet ist, wobei die Spitze des Temperatursen­ sors der Flammblende (8) nachgeordnet ist.