DE19605324C1

DE19605324C1 - Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugzusatzheizgerätes

Info

Publication number: DE19605324C1
Application number: DE19605324A
Authority: DE
Inventors: Horst Dedio; Stefan Kunz; Johann Sperl; Hermann Schoenberger; Hans Zenz
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2016-02-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugzusatzheizgerätes, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Fahrzeugzusatzheizgeräten, wie sie beispielsweise aus der DE 43 11 080 C1 bekannt sind, kommt es bei einem Wiederstart bzw. bei einem zweiten Startversuch nach einem Fehlstart aufgrund der relativ großen noch vorhandenen Brennstoffmenge häufig zu einer äußerst unsauberen Verbrennung, was sich in verschlechterten Abgaswerten und auch zusätzlich in einer geringeren Startwahrscheinlichkeit niederschlägt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Startprozedur unabhängig von den vorausgegangenen Betriebsbedingungen eine erhöhte Startsicherheit und verminderte Abgaswerte ermöglicht.

Die zur Lösung dieser Aufgabe erforderlichen Verfahrensschritte sind im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Dadurch, daß im Steuergerät eine Erfassung von Betriebsparametern erfolgt und das Steuergerät in Abhängigkeit von den Betriebsparametern eine an die vorausgegangenen Betriebsbedingungen - wie beispielsweise Flammabbruch, Überhitzung, Regelpause, erfolgloser Erststart - angepaßte Auswahl aus einer Vielzahl möglicher Startprozeduren trifft, können Startabläufe verkürzt mit weniger Verbrauch an Brennstoff und/oder elektrischer Energie und mit weniger Belastung für die Umwelt erfolgen. Somit sind für einen Regelpause-Start, einen Kaltstart, einen Warmstart oder einen Magerstart jeweils unterschiedliche Startprozeduren vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird nach einem vergeblichen Erststart-Versuch oder nach einem Flammabbruch zunächst die Förderung von Brennstoff unterbrochen und erfolgt dann eine Spülung des Brennraumes durch einen Betrieb des Brennluftgebläses in einer hohen Leistungsstufe. Dabei wird der Brennraum zunächst weitgehend von noch vorhandenem Brennstoff/Luftgemisch gereinigt. Anschließend wird die Drehzahl des Brennluft-Gebläses auf eine niedrigere Start-Drehzahl reduziert und während dieses Zustandes die Brennstoff- Fördereinrichtung wieder zugeschaltet. Durch einen derartigen Verfahrensablauf wird eine sehr hohe Startsicherheit gewährleistet. Die Schadstoffbelastungen im Abgas sind während dieses Startvorganges gegenüber bekannten Fahrzeugzusatzheizgeräten deutlich reduziert.

Es ist vorteilhaft, wenn das die Funktionen des Fahrzeugzusatzheizgeräts koordinierende Steuergerät die Länge der Zeitintervalle für die Unterbrechung der Brennstoff-Förderung, für das Spülen des Brennraumes mit erhöhter Leistung des Brennluft-Gebläses und für die Phase der reduzierten Brennluft-Förderung in Abhängigkeit von einer für den Betriebszustand des Fahrzeugzusatzheizgeräts charakteristischen Temperatur festlegt. Aus der Temperatur können Rückschlüsse über den vorherigen Betriebszustand des Fahrzeugzusatzheizgeräts gezogen werden, beispielsweise ob vorab schon eine Flammbildung stattgefunden hatte, so daß aufgrund einer erhöhten Brennraumtemperatur die Verdampfung des Brennstoffs beim Wiederstart besser und schneller erfolgen kann und somit die Phase der Spülung beispielsweise verkürzt werden kann.

Alternativ oder ergänzend dazu ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät die Länge dieser Zeitintervalle der vorgenannten Verfahrensschritte in Abhängigkeit von einem seit dem letzten Start vergangenen Betriebszeitintervall festlegt. Aus einer Zeitmessung der Betriebsdauer, die beispielsweise aus einem Flammwächtersignal in Verbindung mit einem dem Steuergerät zugeordneten Zähler gewonnen werden kann, können ebenfalls Rückschlüsse auf den derzeitigen Betriebszustand des Fahrzeugzusatzheizgeräts gezogen werden, die eine Anpassung der Parameter in den Verfahrensschritten der folgenden Startprozedur ermöglichen.

Bei bestimmten Betriebszuständen ist es vorteilhaft, wenn eine Glüheinrichtung während der reduzierten Brennluft-Förderung in einer niedrigeren Leistungsstufe betrieben wird. Eine derartige Glüheinrichtung soll die Zündtemperatur für das Entzünden des Gemisches liefern, soll jedoch selbst bei der reduzierten Brennluft-Förderung aufgrund der dadurch mangelnden Kühlung durch die Brennluft nicht überhitzt werden.

Das gleiche gilt für eine an die Brennstoffmenge angepaßte Glühleistung; eine erhöhte Brennstoff-Fördermenge korrespondiert zweckmäßigerweise zu einer erhöhten Glühspannung. Nach Flammbildung ist eine Reduzierung der Glühleistung zweckmäßig, um eine Überhitzung der Glüheinrichtung infolge der Rückwirkung durch die Flammwärme zu vermeiden.

Vorteilhaft schließt sich an das Spülen und anschließende Reduzieren der Gebläse-Drehzahl als weiterer Verfahrensschritt an, daß die Gebläseleistung bei gleichzeitiger Steigerung der Fördermenge an Brennstoff und einer gleichzeitigen Anhebung der Leistung einer Glüheinrichtung angehoben wird. Ein derartiges gemeinsames Anheben der Brennstoffmenge, der Luftmenge und der Leistung der Glüheinrichtung hat sich für einen erfolgreichen Wiederstart als ausgesprochen günstig erwiesen.

Vorteilhaft wird das Spülen des Brennraums für etwa 30 bis 60 s erfolgen. Die reduzierte Brennluftförderung erfolgt vorteilhaft für einen Zeitraum von etwa 30 bis 80 s.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn das Zuschalter der Brennstoff-Förderpumpe auf einer niedrigeren Leistungsstufe erfolgt, welche vorzugsweise etwa einem Drittel der Vollast- Förderleistung entspricht.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Zuschalten der Brennstoff-Förderpumpe etwa in der Mitte der Phase reduzierter Brennluft-Förderung erfolgt. Alle vorstehend genannten Weiterbildungen haben sich für eine weitere Erhöhung der Startsicherheit als sehr vorteilhaft erwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit insbesondere auch für das Betreiben eines Fahrzeugzusatzheizgeräts geeignet, welches als reine Defizitheizung in Verbindung mit einem im Wirkungsgrad optimierten Motor betrieben wird und dabei an dessen Betrieb gekoppelt ist, wobei im wiederholten Kurzstreckenbetrieb - beispielsweise im Postzustellbetrieb - häufige Wiederstarts des Geräts erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Betrieb einer solchen Defizitheizung (Zuheizer) auch in Verbindung mit schwer entzündbarem Brennstoff, wie Pflanzenmethylester (PME).

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugzusatzheizgeräts,

Fig. 2 ein Funktionsablaufdiagramm bei dem über einer Zeitachse die Spannung des Brennluft-Gebläses, die Frequenz einer Brennstoff-Förderpumpe und die Spannung einer Glüheinrichtung bei einem Wiederstart nach einer Störung aufgetragen sind und

Fig. 3 ein Funktionsablaufdiagramm mit denselben Größen wie in Fig. 2 bei einem Start nach einem Flammabbruch.

Ein in Fig. 1 schematisch dargestelltes Fahrzeugzusatzheizgerät weist einen Flammwächter 1, eine Glüheinrichtung 2, eine Brennstoff-Fördereinrichtung 3, mittels der Brennstoff über eine Brennstoffleitung 4 zu einem in einer Brennkammer 7 angeordneten saugfähigen Körper 15 gefördert wird, und ein mittels eines Elektromotors 5 angetriebenes Brennluft-Gebläse 6 auf.

Die vom Brennluft-Gebläse 6 in mehreren Leistungsstufen förderbare Brennluft wird mit dem durch die Brennstoff-Fördereinrichtung 3 in verschiedenen Leistungsstufen förderbaren Brennstoff verdampft und mittels der Glüheinrichtung 2 zu einer Flamme 8 gezündet. Die heißen Abgase treten anschließend nach Verlassen der Brennkammer 7 in wärmetauschenden Kontakt zu einem die Brennkammer 7 umgebenden Wärmetauscher 10 und verlassen dann über einen Abgasstutzen 9 das Fahrzeugzusatzheizgerät ins Freie. Das Fahrzeugzusatzheizgerät kann bezüglich des Wärmeträgermediums sowohl als Luftheizgerät ausgelegt sein, bei dem die Abgase im Wärmetauscher 10 mit zu einem beheizbaren Innenraum geförderten Heizluft in Wärmeaustausch stehen. Es kann jedoch auch als Wasserheizgerät ausgebildet sein, das in den Kühl- und Heizwasserkreislauf des Fahrzeugs eingebunden ist.

Alle Funktionen des Fahrzeugzusatzheizgeräts werden mittels eines Steuergeräts 11 gesteuert. Dem Steuergerät 11 wird vorzugsweise über einen am Wärmetauscher 10 angeordneten Temperatursensor 16 eine für den Zustand des Fahrzeugzusatzheizgeräts charakteristische Bauteiltemperatur T_W als Eingangssignal zugeführt. Die Temperatur T_W kann beispielsweise an einer Wand des Wärmetauschers 10 gemessen werden. Sie kann jedoch auch der Temperatur des Wärmeträgers entsprechen.

Ergänzend oder alternativ zur Temperaturermittlung ist im Steuergerät 11 eine Erfassungseinrichtung für die Betriebs- und Stillstandszeiten des Fahrzeugzusatzheizgerätes vorgesehen. Aus diesen Temperatur- und/oder Zeitparametern berechnet das Steuergerät eine für die vorliegenden Startbedingungen besonders geeignete Startprozedur oder wählt diese aus einer Vielzahl eingespeicherter Startprozeduren aus.

Falls es im Fahrzeugzusatzheizgerät zu einem Flammabbruch kommt oder falls bei einem Startvorgang der erste Startversuch ausnahmsweise nicht erfolgreich sein sollte, so daß ein Wiederstart erforderlich ist, ist vorgesehen:

a) zunächst die Förderung von Brennstoff durch die Brennstoff-Fördereinrichtung 3 zu unterbrechen und
b) eine Spülung des Brennraumes in der Brennkammer 7 durch einen Betrieb des Brennluft- Gebläses 6 in einer hohen Leistungsstufe vorzunehmen,
c) sodann die Drehzahl des Brennluft-Gebläses 6 gesteuert auf eine niedrigere Start- Drehzahl zu reduzieren und
d) die Brennstoff-Förderpumpe 3 wieder zuzuschalten.

Die Länge der für die einzelnen Verfahrensschritte a) bis d) benötigten Zeit wird vorzugsweise vom Steuergerät 11 aufgrund des übermittelten Temperaturwertes T_W oder alternativ dazu durch die Erfassung der Betriebsdauer Δt des Fahrzeugzusatzheizgerätes seit Anliegen eines Flammwächtersignals am Flammwächter 1 bis zum erkannten Flammabbruch festgelegt.

Um eine an die Förderleistung des Brennluft-Gebläses 6 angepaßte Leistung der Glüheinrichtung 2 zu erzielen, ist vorgesehen, während des Verfahrensschritts c) bei der reduzierten Förderung von Brennluft auch die Leistung der Glüheinrichtung 2 durch Reduzierung der dieser anliegenden Spannung U₂ bedarfsgerecht anzupassen. Hierdurch wird ein unerwünschtes Überhitzen der Glüheinrichtung 2 infolge der verminderten Kühlung bei kleinerer Brennluftmenge vermieden.

In Fig. 2 ist der Startablauf nach einer Störung, d. h. bei nichterfolgtem Start des Heizgerätes in Form eines Funktionsablaufdiagrammes dargestellt. Über der horizontalen Zeitachse ist im oberen Teil der Verlauf der Ansteuerspannung U₆ des Brennluftgebläses 6, in der Mitte die Förderfrequenz f₃ der Brennstoff-Fördereinrichtung 3 und im unteren Teil die Ansteuerspannung U₂ der Glüheinrichtung 2 aufgetragen. In einem ersten, dem Verfahrensschritt a) entsprechenden Zeitintervall ist die Brennstoff-Förderung abgeschaltet; das Brennluft-Gebläse 6 wird mit einer sehr hohen Spannung U₆, vorzugsweise der Vollast- Leistung entsprechend, angesteuert. Gleichzeitig wird die Glüheinrichtung 2 mit einer hohen Glühspannung U₂ betrieben. Die Dauer dieses Spülvorgangs der Brennkammer 7 in diesem ersten Zeitintervall beträgt etwa 30 s.

In einem daran anschließenden zweiten Zeitintervall von etwa 10 s Dauer wird die Leistung des Brennluftgebläses 6 etwa auf ein Sechstel der Vollast-Fördermenge reduziert. Die Ansteuerspannung der Glüheinrichtung 2 wird auf etwa zwei Drittel des ersten Wertes reduziert. Die Brennstoff-Fördereinrichtung 3 bleibt zunächst weiter außer Betrieb.

In einem dritten Zeitintervall wird bei gegenüber dem zweiten Zeitintervall konstanter Ansteuerspannung U₂ der Glüheinrichtung 2 die Förderleistung des Brennluftgebläses 6 durch eine höhere Ansteuerspannung U₆ allmählich angehoben. In dem gleichen Zeitintervall wird mit einer Förderung von Brennstoff begonnen, bei der die Frequenz f₃ der Brennstoff- Fördereinrichtung 3 etwa einem Viertel der Vollast-Fördermenge entspricht.

In einem vierten Zeitintervall wird die Fördermenge des Brennstoffs durch Steigerung der Frequenz f₃ bei gleichzeitig weiter ansteigender Brennluft-Fördermenge durch Anhebung der Spannung U₆ gesteigert. Die Glühspannung U₂ wird parallel dazu geringfügig abgesenkt.

In einem fünften Zeitintervall wird bei annähernd konstanter Brennluft-Fördermenge und konstanter Glühspannung U₂ die Brennstoff-Förderung für eine Dauer von etwa 5 s erneut vollständig unterbrochen. Dadurch wird erneut eine Abmagerung des Gemisches aus Brennstoff und Brennluft vorgenommen, während der bei einem vorher zu fetten Gemisch spätestens der Start erfolgt. Im anschließenden sechsten Zeitintervall werden die Brennstoff- Fördermenge in Form einer von einem Drittel der Vollastfrequenz f₃ bis auf 100% der Vollast- Förderfrequenz f₃ steigenden Brennstoff-Förderung bei gleichzeitig ebenso ansteigender Ansteuerspannung U₆ des Brennluft-Gebläses 6 und einer erneut erhöhten Glühspannung U₂ die schon vorher ausgebildete Pilotflamme zu einer großen Flamme hochgefahren und stabilisiert. Anschließend kann die Glüheinrichtung 2 abgeschaltet werden, wenn das Signal eines separaten Flammwächters I das Ausbilden einer Flamme signalisiert hat. Das Heizgerät wird dann bei entsprechendem Wärmebedarf zunächst in der Vollaststufe mit hoher Brennstoff- Fördermenge und hoher Gebläseleistung betrieben.

Sollte in einer alternativen Ausführungsform die Glüheinrichtung 2 und der Flammwächter 1 in einem einzigen integrierten Bauteil - beispielsweise einer Keramikglühkerze mit PTC- Widerstandsverhalten - ausgebildet sein, so muß die Glüheinrichtung am Ende des sechsten Zeitintervalls abgeschaltet werden, damit sie für eine Erkennung der Flamme in Form eines von ihr gebildeten Widerstandes für eine Meßspannung frei wird.

In Fig. 3 ist in einem analogen Funktionsablaufdiagramm der Startvorgang nach einem Flammabbruch dargestellt. Auch hier wird zunächst in einem ersten Zeitintervall bei hoher Ansteuerspannung U₆ des Brennluftgebläses 6 und gleichzeitig abgeschalteter Brennstoff- Fördereinrichtung 3 eine Spülung der Brennkammer 7 vorgenommen. Dabei werden wie bei der Fig. 2 alle unverbrannten Reste von Brennstoff und Brennstoff-Luftgemisch im wesentlichen abgebaut. Der gleichzeitige Betrieb der Glüheinrichtung 2 mit einer hohen Ansteuerspannung U₂ treibt dabei die im saugfähigen Körper 15 noch vorhandenen Brennstoffreste aus.

Im zweiten Zeitintervall wird die Ansteuerspannung für das Brennluftgebläse 6 deutlich, d. h. bis auf einen Wert von etwa 25% der Vollast-Fördermenge reduziert. Gleichzeitig wird wiederum die Ansteuerspannung der Glüheinrichtung 2 entsprechend reduziert. In einem dritten Zeitintervall setzt eine Förderung von Brennstoff mit einer Frequenz f₃ ein, die etwa einem Drittel der Vollast-Förderfrequenz entspricht. Gleichzeitig erfolgt ein leichtes Anheben der Förderleistung des Brennluftgebläses. In einem vierten Zeitintervall werden gleichzeitig die Förderleistung Brennluftgebläses 6 durch Anheben der Ansteuerspannung U₆, die Förderleistung der Brennstoff-Fördereinrichtung 3 durch Anheben der Förderfrequenz f₃ und die Ansteuerspannung U₂ der Zündeinrichtung 2 angehoben. Hierdurch wird die sich normalerweise im dritten Zeitintervall ausbildende Pilotflamme hochgefahren und durch weiteren Betrieb der Zündeinrichtung 2 stabilisiert. Anschließend an das vierte Zeitintervall ist ein Betrieb in Vollast bei entsprechendem Wärmebedarf möglich, wobei dann die Glüheinrichtung 2 abgeschaltet wird, so daß sie im Falle der gleichzeitigen Funktion als Flammwächter mit einer entsprechenden Meßspannung beaufschlagt werden kann.

Wenn vorstehend von einer Veränderung der Leistungen des Brennluftgebläses 6 und der Glüheinrichtung 2 durch eine Variierung der Ansteuerspannungen U₆ bzw. U₂ gesprochen wurde, so ist für den Fachmann klar, daß auch andere Mittel der Leistungsansteuerung, wie beispielsweise eine Pulsweitenmodulation, an deren Stelle verwendet werden können.

Beiden Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, daß eine Abmagerung des Startgemisches durch das anfängliche Freispülen des Brennraumes mit einem anschließenden reduzierten Fördern von Brennluft und einer reduzierten Brennstoff-Förderung einher geht. Durch diese Maßnahmen ist in jedem Falle ein sicherer Wiederstart nach einer Störung oder einem Flammabbruch gewährleistet.

Bezugszeichenliste

1 Flammwächter
2 Glüheinrichtung
3 Brennstoff-Fördereinrichtung
4 Brennstoffleitung
5 Elektromotor
6 Brennluft-Gebläse
7 Brennkammer
8 Flamme
9 Abgasstutzen
10 Wärmetauscher
11 Steuergerät
15 saugfähiger Körper
16 Temperatursensor
T_W Temperatur des Wärmetauschers 10

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugzusatzheizgerätes mit einem Brennluft zu einer Brennkammer (7) fördernden Brennluftgebläse (6), mit einer Brennstoff- Fördereinrichtung (3), mit einer Glüheinrichtung (2), und mit einem Steuergerät (11) zur Steuerung der Funktionen des Brennluftgebläses (6), der Brennstoff- Fördereinrichtung (3) und der Glüheinrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, daß im Steuergerät eine Erfassung von Betriebsparametern (Betriebsphasen, Pausenzeiten, Störungssignale, Temperaturen) erfolgt und daß das Steuergerät in Abhängigkeit von den Betriebsparametern bei einem Start des Fahrzeugheizgerätes eine an diese erfaßten Parameter angepaßte Startprozedur zum Betreiben des Brennluftgebläses (6), der Brennstoff-Fördereinrichtung (3) und der Glüheinrichtung (2) auswählt und ausführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Startprozedur nach einem vergeblichen Erststart-Versuch oder nach einem Flammabbruch durchlaufen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) die Förderung von Brennstoff wird unterbrochen;
b) es erfolgt eine Spülung der Brennkammer (7) durch einen Betrieb eines Brennluftgebläses (6) in einer hohen Leistungsstufe;
c) die Drehzahl des Brennluftgebläses (6) wird gesteuert auf eine niedrigere Start- Drehzahl reduziert;
d) die Brennstoff-Förderpumpe (3) wird zugeschaltet.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (11) die Länge der Zeitintervalle der zur Startprozedur gehörenden Verfahrensschritte in Abhängigkeit von einer für den Betriebszustand des Fahrzeugzusatzheizgeräts charakteristischen Temperatur (T_W) festlegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Zeitintervalle der zur Startprozedur gehörenden Verfahrensschritte in Abhängigkeit von einem seit dem letzten Start vergangenen Betriebszeitintervall (Δt) festlegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glüheinrichtung (2) während einer reduzierten Brennluft-Förderung in einer niedrigeren Leistungsstufe betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Verfahrensschritt d) anschließt:

e) die Leistung des Brennluftgebläses (6) wird bei gleichzeitiger Steigerung der Fördermenge an Brennstoff und Anhebung der Leistung der Glüheinrichtung (2) angehoben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülen im Verfahrensschritt b) etwa 30 bis 60 s dauert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierte Brennluft-Förderung gemäß Verfahrensschritt c) für etwa 30 bis 80 s erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zuschalten der Brennstoff-Fördereinrichtung (3) gemäß Verfahrensschritt d) auf einer niedrigeren Leistungsstufe erfolgt, die vorzugsweise etwa einem Drittel der Vollast- Förderleistung entspricht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zuschalten der Brennstoff-Fördereinrichtung (3) gemäß Verfahrensschritt d) etwa in der Mitte der Phase reduzierter Brennluft-Förderung gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt.