DE19735079A1 - Brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere motorunabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere motorunabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge, mit Brenner, Brennkammer und Wärmetauscher, wobei die Brennkammer vom Wärmeträgermedium des topfartigen, einen Boden aufweisenden Wärmetauschers umströmt wird, an der einen Stirnseite vom Brenner abgeschlossen ist und an der anderen Stirnseite mit Abstand an den Wärmetauscherboden angrenzt, und ein Überhitzungserkennungsfühler am Wärmetau­ scher vorgesehen ist, welcher im heißesten Bereich des Wärme­ tauschers, d. h. im Bodenbereich des Wärmetauschers angeord­ net und als Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler ausgebildet ist, durch welchen die Boden- bzw. Kalottentemperatur des Wärmetauschers durch ein Steuergerät überwacht und-gegebenen­ falls begrenzt wird, sowie mit einem Flammenerkennungsfüh­ ler, der vorzugsweise im Abgas sitzt. Das Signal wird eben­ falls vom Steuergerät überwacht.

Nach heutigem betriebsinternen Stand der Technik erfolgt bei Luftheizgeräten die Flammenerkennung mit einem Bauteilfühler, welcher auf dem Wärmetauscher sitzt. Mittels Tendenzaus­ wertung wird ermittelt, ob sich die Flamme ausbreitet und entsprechende Temperaturänderungen am Wärmetauscher auftre­ ten.

Die Überhitzungserkennung erfolgt mit einem weiteren Bauteil­ fühler, der an anderer Stelle am Wärmetauschermantel sitzt. Wird der eingestellte bzw. definierte Temperaturgrenzwert des Überhitzungsfühlers überschritten, wird das Heizgerät vom Steuergerät abgeschaltet. Durch erneutes Aus-/Einschal­ ten kann das Heizgerät nach entsprechender Abkühlung erneut in Betrieb genommen werden.

Als Redundanzfunktion wird durch den Flammenerkennungsfühler das Heizgerät dann bleibend abgeschaltet, wenn eine definier­ te obere Temperaturschwelle überschritten wird. Diese liegt so, daß sie erst oberhalb der Ansprechschwelle eines intak­ ten Überhitzungsfühlers anspricht.

Um mit Hilfe einfacher Mittel eine sichere Temperaturüberwa­ chung eines Heizgeräts zu schaffen, wird bisher vorgeschla­ gen, den Überhitzungsfühler als Boden- bzw. Kalottentempera­ turfühler auszubilden und diesen im heißesten Bereich des Wärmetauschers, d. h. im Bodenbereich des Wärmetauschers an­ zuordnen, wobei durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler die Boden- bzw. Kalottentemperatur des Heizgeräts über­ wacht und gegebenenfalls begrenzt werden kann. Die Abgastem­ peratur wird mit dem Abgastemperaturfühler erfaßt. Es be­ steht ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Kalotten­ fühlersignal und dem Abgastemperaturfühlersignal, der in gewissen Grenzen gegeben ist, wie Versuche gezeigt haben.

Aufbauend auf vorgenannter Erkenntnis ist es Aufgabe der Er­ findung, ein Heizgerät der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, welches mit Hilfe einfacher Mittel weitere Funktions­ vorteile bietet.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6.

Wesen der Erfindung ist die Erkenntnis, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (auch) die CO₂-Emission des Abgases bei der Verbrennung überwacht und gegebenenfalls begrenzt werden kann.

Insbesondere kann durch den Boden- bzw. Kalottentemperatur­ fühler die überwachte CO₂-Emission des Abgases bei der Ver­ brennung durch Leistungsreduktion des Heizgeräts begrenzt werden, indem bei Überschreiten zumindest einer Temperatur­ grenzkennlinie eine Leistungsreduktion und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt, wobei die Temperaturgrenzkennli­ nie eine lineare Funktion zwischen der Boden- bzw. Kalotten­ temperatur und der Abgastemperatur ist.

Alternativ oder in Ergänzung kann vorgesehen sein, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler die überwachte CO₂-Emission des Abgases bei der Verbrennung durch Erhöhung der volumetrischen Förderung der Verbrennungs- und/oder der Heizluft begrenzt wird, indem bei Überschreiten zumindest eines Temperaturgrenzwertes das dem Heizgerät zugeführte Ver­ brennungs- und/oder Heizluftvolumen erhöht wird.

Der vorgenannte Temperaturgrenzwert kann der Wärmetauscherka­ lotte oder dem Abgas und insbesondere der Überhitzungsgrenz­ wert der Boden- bzw. Kalottentemperatur zugeordnet sein.

Insbesondere veranlaßt der Boden- bzw. Kalottentemperaturfüh­ ler bei Überschreiten einer ersten Temperaturgrenzkennlinie über das Steuergerät eine stufenlose oder schrittweise Redu­ zierung der dem Heizgerät zugeführten Brennstoffmenge auf einen definierten Wert, und es wird das Heizgerät mit redu­ zierter Brennstoffmenge weiterbetrieben, bevor das Heizgerät nach weiterer Überschreitung einer zweiten Temperaturgrenz­ kennlinie bleibend abgeschaltet wird.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Flammenerkennungsfühler ein Abgastemperaturfühler ist und sich der Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler und der Abgastemperaturfühler gegen­ seitig überwachen und bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Füh­ ler beide Temperaturwerte sich nach der Aufheizphase in sta­ tionärem Betrieb und im Übergangsbetrieb von Betriebsstufe zu Betriebsstufe in einem definierten Temperaturfenster bewe­ gen.

Es ist also durch die Erfindung möglich, die Heizgerätefunk­ tion ohne zusätzlichen Hardwareaufwand, d. h. mit vorhandenen Sensoren an einem Heizgerät, einem Luft- oder einem Wasser- Heizgerät, hinsichtlich eines höhenunabhängigen Betriebes des Heizgerätes deutlich zu erweitern. Es wird erfindungs­ gemäß auf vorhandene Fühlersignale zurückgegriffen. Durch geeignete Auswertung und Festlegung einer Grenze kann der vom Heizgerät emittierte CO₂-Wert höhenunabhängig limitiert werden, so daß sich das erfindungsgemäße Heizgerät insbeson­ dere für einen Einsatz in höheren Gebirgslagen eignet.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Luft­ heizgeräts mit Darstellung des Flammenerkennungsfüh­ lers und des Überhitzungserkennungsfühlers,

Fig. 2 ein Luftheizgerät ähnlich Fig. 1, mit Darstellung der Anordnung des Überhitzungserkennungsfühlers und des Flammenerkennungsfühlers nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Wasserheizgerät mit Darstellung der Anordnung des Überhitzungserkennungsfühlers und des Flammen­ erkennungsfühlers nach der Erfindung, und

Fig. 4 ein schematisches Diagramm mit Darstellung der Pro­ portionalität von Kalotten- und Abgastemperatur und deren CO₂-Abhängigkeit.

Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt ein mit Flüssigbrennstoff be­ triebenes Heizgerät 1 in Form eines Luftheizgeräts, insbeson­ dere ein motorunabhängig betriebener Zuheizer eines Kraft­ fahrzeuges unter anderem einen Brenner 2, eine Brennkammer 3 und einen Wärmetauscher 4, sowie ein Steuergerät 6, welches von einem Überhitzungserkennungsfühler 8 und einem Flammener­ kennungsfühler 9 angesteuert ist, um bei Überschreiten von Grenzwerten das Heizgerät gegebenenfalls abzuschalten.

Die Brennkammer 3 wird vom Wärmeträgermedium 5 des topfarti­ gen Wärmetauschers 4, nämlich Luft, umströmt und ist an der einen Stirnseite, gemäß den Fig. 1 und 2 links, vom Brenner 2 abgeschlossen. Die Brennkammer 3 grenzt an der anderen Stirnseite mit Abstand an den Wärmetauscherboden an.

Der Wärmetauscherboden 7 des Luftheizgeräts nach den Fig. 1 und 2 weist Kalottenform auf und stellt im Betrieb die heiße­ ste Zone 21 dar.

Während nach dem Stand der Technik das Luftheizgerät gemäß Fig. 1 einen Überhitzungserkennungsfühler 8 besitzt, welcher nicht in der heißesten Zone 21 des Wärmetauschers, vielmehr im Mantelbereich des Wärmetauschers angeordnet ist, befindet sich der Überhitzungserkennungsfühler des Luftheizgeräts nach der Erfindung gemäß Fig. 2, welcher ein sogenannter Kalottentemperaturfühler 8 ist, in der heißesten Zone 21 im Kalottenbereich 7 des Wärmetauschers 4.

Auch die Positionen des Flammenerkennungsfühlers 9 der zu vergleichenden Luftheizgeräte nach den Fig. 1 und 2 ist un­ terschiedlich. Während der bekannte Flammenerkennungsfühler 9 nach Fig. 1 ein Bauteilfühler ist, welcher auf dem Wärme­ tauscher 4 sitzt, über welchen das Steuergerät 6 tendenziell ermittelt, ob sich durch entsprechende Temperaturänderungen am Wärmetauscher die Flamme ausbreitet oder nicht, ist der erfindungsgemäße Flammenerkennungsfühler 9 gemäß Fig. 2 ein Abgastemperaturfühler, welcher naturgemäß in der Abgaslei­ tung sitzt und die Abgastemperatur mißt und durch das Steuer­ gerät 6 überwacht.

Allein durch den Kalottentemperaturfühler 8 gemäß Fig. 2 kann aufgrund von Proportionalitäten und gewissen Abhängig­ keiten zu anderen Heizgeräte-Temperaturgrößen nicht nur die Kalottentemperatur, sondern auch die Ausströmtemperatur des Wärmeträgermediums 5 und/oder die Oberflächentemperatur des Heizgeräts 1 durch das Steuergerät 6 überwacht und gegebenen­ falls begrenzt werden, indem bei Überschreiten von Tempera­ turgrenzwerten eine Leistungsreduktion und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt, und/oder die Gebläsedrehzahl er­ höht wird, um die volumetrische Förderung von Verbrennungs- und/oder Heizluft zu erhöhen.

Ausgehend vom Gegenstand der Hauptanmeldung wurde durch Ver­ such festgestellt, daß sich gemäß Fig. 4 der proportionale Zusammenhang zwischen Kalottentemperatur Tk und Abgastempe­ ratur Ta parallel verschiebt, wenn sich die CO₂-Emission der Verbrennung verändert. D.h. der proportionale Zusammenhang läßt sich allgemein durch die Geradengleichung

y = mx + b

beschreiben.

Wird in einem Heizungs- oder Brennersteuergerät für diesen linearen Zusammenhang eine Grenzfunktion programmiert, so kann zu jedem Zeitpunkt abgeprüft werden, ob der aktuelle Betriebspunkt des Heizgerätes unterhalb (d. h. im zulässigen Bereich) oder oberhalb (d. h. im unzulässigen Bereich) der Temperaturgrenzkennlinie K1, K2 bzw. K3 liegt.

Liegt der aktuelle Betriebspunkt beispielsweise oberhalb der Temperaturgrenzkennlinie K3 im schraffierten Bereich der Linie K3 (Grenzkennlinie für Höhenabhängigkeit), kann bei­ spielsweise die Brennstoffmenge um einen definierten Betrag in Richtung R reduziert werden, oder es kann bei einem aktu­ ellen Betriebspunkt beispielsweise im schraffierten Bereich oberhalb der Temperaturgrenze TG (Überhitzungsgrenzwert der Kalottentemperatur Tk) die Gebläsedrehzahl um einen definier­ ten Betrag in Richtung A erhöht werden, oder es können beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt werden, um im Ergebnis den CO₂-Emissionswert für einen höhenunabhängigen Heizgeräte­ betrieb zu limitieren oder gegebenenfalls abzusenken.

Die erstgenannte Maßnahme stellt eine Heizleistungsreduzie­ rung dar.

Die zweitgenannte Maßnahme kompensiert die geringe Luftdich­ te durch Erhöhung der volumetrischen Förderung von Verbren­ nungs- und Heizluft.

Die dritte Maßnahme ist eine Kombination aus den ersten beiden Maßnahmen.

Die Temperaturgrenzkennlinie K2 steht beispielsweise für einen konstanten CO₂-Emissionswert von 12%.

Die Temperaturgrenzkennlinie K1 steht beispielsweise für einen konstanten CO₂-Emissionswert von 8%.

Wird durch Heizleistungsreduktion durch Parallelverschiebung der Linie K3 in Richtung R zur Linie K2 oder bis zur Linie K1 verschoben, nimmt also der CO₂-Ausstoß prozentual ab.

Das in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist ein Heizgerät 1 in Form eines Wasserheizgerätes mit Wasser als Wärmeträgermedium 5, welches ebenfalls wie das vorgenannte Luftheizgerät hinsichtlicher der Fühler 8 und 9 betrieben werden kann, um eine zuverlässige CO₂-Überwachung mit Hilfe einfacher Mittel sicherzustellen. Das Gerät besitzt eben­ falls einen Brenner 2, eine Brennkammer 3 und einen Wärme­ tauscher 4, welcher allerdings nicht einen Boden in Kalot­ tenform, sondern eher einen gewölbten Flachboden besitzt. Der Fühler 8 sitzt auf dem Gasmantel in unmittelbarer Nähe zum Wärmetauscherboden 7 und mißt eine Bauteiltemperatur. Oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle wird mit dem Fühler 8 Überhitzung erkannt, analog zu einem Luftheizgerät.

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 sämt­ liche in den gesamten Anmeldungsunterlagen enthaltenen erfin­ derischen Merkmale in den Schutzumfang der Erfindung.

Claims (6)

1. Brennstoffbetriebenes Heizgerät (1), insbesondere motor­ unabhängig betriebenes Luftheizgerät für Kraftfahrzeuge, mit Brenner (2), Brennkammer (3) und Wärmetauscher (4), wobei die Brennkammer (3) vom Wärmeträgermedium (5) des topfartigen, einen Boden (7) aufweisenden Wärmetauschers umströmt wird, an der einen Stirnseite vom Brenner (2) abgeschlossen ist und an der anderen Stirnseite mit Ab­ stand an den Wärmetauscherboden angrenzt, und ein Über­ hitzungserkennungsfühler (8) am Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher im heißesten Bereich (21) des Wärmetau­ schers (4), d. h. im Bodenbereich des Wärmetauschers ange­ ordnet und als Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) ausgebildet ist, durch welchen die Boden- bzw. Kalotten­ temperatur (Tk) des Wärmetauschers durch ein Steuergerät (6) überwacht und gegebenenfalls begrenzt wird, sowie mit einem Flammenerkennungsfühler (9), der vorzugsweise im Abgas sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) und den Abgastemperaturfühler die CO₂-Emission des Abga­ ses bei der Verbrennung überwacht und gegebenenfalls be­ grenzt wird.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) und den Abgastemperaturfühler die überwachte CO₂-Emis­ sion des Abgases bei der Verbrennung durch Leistungsre­ duktion des Heizgeräts begrenzt wird, indem bei Über­ schreiten zumindest einer Temperaturgrenzkennlinie (K1, K2, K3) eine Leistungsreduktion (R) und gegebenenfalls Geräteabschaltung erfolgt, wobei die Temperaturgrenzkenn­ linie (K1, K2 bzw. K3) eine lineare Funktion zwischen der Boden- bzw. Kalottentemperatur (Tk) und der Abgas­ temperatur (Ta) ist (vgl. Fig. 4).

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) und den Abgastemperaturfühler die überwachte CO₂-Emis­ sion des Abgases bei der Verbrennung durch Erhöhung (A) der volumetrischen Förderung der Verbrennungs- und/oder der Heizluft begrenzt wird, indem bei Überschreiten zu­ mindest eines Temperaturgrenzwertes (TG) das dem Heiz­ gerät zugeführte Verbrennungs- und/oder Heizluftvolumen erhöht wird.

4. Heizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgrenzwert (TG) der Überhitzungsgrenz­ wert der Boden- bzw. Kalottentemperatur (Tk) ist (Fig. 4).

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden- bzw. Kalottentemperaturfühler (8) bei Überschreiten einer ersten Temperaturgrenzkennlinie (K1) über das Steuergerät (6) eine stufenlose oder schrittwei­ se Reduzierung der dem Heizgerät zugeführten Brennstoff­ menge auf einen definierten Wert veranlaßt, und das Heiz­ gerät mit reduzierter Brennstoffmenge weiterbetrieben wird, bevor das Heizgerät nach weiterer Überschreitung einer zweiten Temperaturgrenzkennlinie (K2 oder K3) blei­ bend abgeschaltet wird.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenerkennungsfühler (9) ein Abgastemperatur­ fühler ist, wobei sich der Boden- bzw. Kalottentempera­ turfühler (8) und der Abgastemperaturfühler gegenseitig überwachen und bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Fühler beide Temperaturwerte sich nach der Aufheizphase in sta­ tionärem Betrieb und im Übergangsbetrieb von Betriebsstu­ fe zu Betriebsstufe in einem definierten Temperaturfen­ ster bewegen.