DE3517953A1 - Verfahren und schaltanordnung zum regeln der heizleistung einer heizeinrichtung - Google Patents
Verfahren und schaltanordnung zum regeln der heizleistung einer heizeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Heizleistung einer Heizeinrichtung
gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 oder 8, wobei die Heizeinrichtung insbesondere für Fahrzeuge als Zusatzheizung oder
Standheizung bestimmt ist. Als Wärmeaustauschmedium kommt eine Flüssigkeit, wie Wasser, oder ein Gas, wie Luft in Betracht.
Aus DE-OS 30 31 410 ist ein Steuergerät zum Betreiben von
Heizvorrichtungen insbesondere für Fahrzeuge bekannt, bei dem zur Heizleistungsregelung eine Rege1temperatur, beispielsweise
die Temperatur eines flüssigen Wärmeaustauschmediums mit Hilfe eines Sensors erfaßt wird und in Abhängigkeit
von empirisch bestimmbaren Temperaturschwellwerten die Heizeinrichtung in verschiedenen möglichen Heizstufen
betrieben wird. Bei einem ersten Temperaturschwellwert
wird beispielsweise das Fahrzeuggebläse eingeschaltet und bei einem zweiten Temperaturschwellwert, der höher als der
erste Temperaturschwellwert liegt, erfolgt eine Umschaltung
des Heizgerätes auf den Teillastbetrieb, sowie gegebenenfalls auf den Vollastbetrieb zurück.
Aus DE-PS 30 24 983 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zum Bestimmen einer Vorheiz-Energiemenge bekannt,
bei denen für die Vorheizung eines heizbaren Gegenstands oder Raumes vor einem beabsichtigten Zeitpunkt der Ingebrauchnahme,
insbesondere zum Vorheizen eines Kraftfahrzeuges, automatisch bei möglichst niedrigem Energieverbrauch
mit möglichst hoher Sicherheit ein gewünschtes Vorheiz· ergebniss erreicht werden kann. Auch hierbei können mehrere
regelbare Heizstufen in Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen zwischen Anfangs-Temperatur und gewünschter Aufheiz-Temperatur
zur Vorheizung durchlaufen werden.
Bei allen den bisher üblichenHeizleistungsregelungen sowohl beim Vorheizen als auch beim Zuheizen während des
Fahrbetriebs treten insbesondere bei geringem Heizleistungsbedarf kurzzeitige Abschaltungen und Wiedereinschaltungen
der Heizeinrichtung innerhalb von sehr kurzen Regelintervallen auf. Hierdurch verkürzt sich nicht nur die Standfestigkeit
des Brenneraggregats der Heizeinrichtung, sondern die Heizeinrichtung neigt auch insgesamt zum Verkoken und
Verrußen, so daß sich ungünstige Betriebsbedingungen der Heizeinrichtung und gegebenenfalls eine mangelnde Betriebssicherheit,
insbesondere eine mangelnde Startfreudigkeit der Heizeinrichtung ergeben. Auch arbeitet eine solche Heizeinrichtung
mit einem schlechten Wirkungsgrad, bezogen auf die erzeugte Wärmeenergie und die hierfür verbrauchte elektrische
Energie, so daß man einen relativ hohen Energieverbrauch in Kauf nehmen muß, der insbesondere nachteilig
ist, da die elektrische Energie zur Versorgung der Heiz-
einrichtung bei einem Kraftfahrzeug beispielsweise aus
der Batterie entnommen wird.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, zur Überwindung der zuvor geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Heizleistung einer mit einem Wärmeaustauschmedium arbeitenden Heizeinrichtung
derart auszulegen, daß man einen verbrauchsgünstigeren Betrieb der Heizeinrichtung mit regelbarer Heizleistung
unter Vermeidung einer Verkokung oder Verrussung der Heizeinrichtung erhält.
Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zum Regeln der
Heizleistung einer mit einem ivärmeaustauschmedium arbeitenden Heizeinrichtung durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen aus. Zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 8 eine entsprechende Schaltungsanordnung angegeben.
Beim Verfahren zum Regeln der Heizleistung nach der Erfindung wird der Temperaturgradient für die Aufheizung des Wärmeaustauschmediums
(Gas oder Flüssigkeit)zwischen zwei Temperaturschwellwerten ermittelt, die für die Heizleistungsregelung
unter Verwendung einer Regeltemperatur empirisch bestimmbar und vorgegeben sind. Die Steilheit dieses Temperaturgradienten
ist ein Maß für den tatsächlichen Heizleistungsbedarf bzw. für das Verhältnis von mit der Heizeinrichtung erzeugter
Heizleistung und von der Heizeinrichtung abgeführter
- το-
Heizleistung. Durch die Ermittlung des Temperaturgradienten und die Steilheit desselben wird ermöglicht, daß die Intervalle
zwischen den Regelpausen und einem Wiederstart der Heizeinrichtung vergrößert und verlängert werden, so daß unerwünschte
Regelspiele mit Änderungen der Betriebszustände der Heizeinrichtung vermieden werden. Hierdurch kann der
elektrische Energieverbrauch zum Betreiben der Heizeinrichtung gesenkt werden und es wird ein effektiver Heizleistungsbetrieb auch in mehreren Heizstufen sowohl beim Vorheizen
als auch beim Heizen allgemein gewährleistet. Da ferner nicht innerhalb kurzer Intervalle die Heizeinrichtung mehrfach gestartet
und gezündet werden muß, verlängert sich auch die Standzeit des in der Heizeinrichtung vorhandenen Brenneraggregats
und eine Verkokung sowie eine Rußbildung in der Heizeinrichtung wird verhindert.
Gemäß Anspruch 2 wird als charakteristische Größe für die Steilheit des Temperaturgradienten die Zeitdauer gemessen,
die man zum Aufheizen des viärmeaustauschmediums vom ersten Temperaturschwellwert zum zweiten Temperaturschwellwert
benötigt. Diese sogenannte Aufheizzeitdauer läßt sich regelungstechnisch einfach bestimmen und unkompliziert im
Hinblick auf die Beeinflussung der Heizleistungsregelverfahrensweise
verarbeiten.
In den Ansprüchen 3 bis 5 wird diese Aufheizzeitdauer jeweils charakteristischen Betriebsbereichen der Heizeinrichtung züge-
ordnet. Gemäß Anspruch 3 wird ein erster vorbestimmter Vorgabewert
für die Zeitdauer gewählt und bei Unterschreiten dieses Vorgabewertes durch die gemessene AufheizZeitdauer
wird die Heizeinrichtung abgeschaltet, da dann vermutlicherweise eine Betriebsstörung der Heizeinrichtung oder ein
Bedienungsfehler derselben vorliegt. In diesem Fall hat der Temperaturgradient eine hohe Steilheit, was bedeutet, daß
das Wärraeaustauschmedium innerhalb kurzer Zeit vom ersten Temperaturschwellwert auf den zweiten Temperaturschwellwert aufgeheizt wird, so daß die Heizeinrichtung nur
wenig Heizleistung abgibt. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung zwangsweise abgeschaltet, um eine Beschädigung der
Heizeinrichtung oder ein Auslösen des überhitzungsschutzes zu verhindern und/oder ein nicht am Bedarf orientiertes
Heizen zu vermeiden. Hierbei kann zur Abführung der Restwärme bei einem flüssigen Wärmeaustauschmedium dieses mittels einer
Umwälzpumpe in der Heizeinrichtung noch weiter zirkulieren
oder es wird auch die Umwälzpumpe selbst abgeschaltet. Beim Verfahren nach Anspruch 4 wird ein zweiter Vorgabewert
für die Aufheizzeitdauer, der empirisch vorbestimmt ist, verwendet und der größer als der erste Vorgabewert ist, wobei
dann bei Unterschreiten dieses zweiten Vorgabewertes der Temperaturschwellwert für die Betriebszustandsänderung der
Heizeinrichtung abgesenkt wird. Diese Verfahrensweise bezieht
sich auf den Anwendungsfall, bei dem die Heizeinrichtung eine höhere Heizleistung liefert als zur Beheizung benötigt
wird. Dies tritt insbesondere beim Heizen während der wärmeren Übergangszeiten, bei gedrosselten Heizregelventilen
oder geschlossenen Heizungsklappen oder beim Zuheizen bei betriebswarmer Brennkraftmaschine auf. Durch die Absenkung
des Temperaturschwellwerts für die Betriebszustandsänderung
der Heizeinrichtung wird vermieden, daß das Heizgerät innerhalb kurzer Zeitintervalle aufeinanderfolgend ein- und ausgeschaltet
wird, obgleich dies an sich nach dem Heizleistungsbedarf nicht erforderlich wäre.
Bei der Verfahrensweise nach Anspruch 5 wird ferner beim überschreiten des zweiten vorbestimmten Vorgabewertes für
die Aufheizzeitdauer die Heizleistung der Heizeinrichtung wie üblich in Abhängigkeit von der Regeltemperatur in verschiedenen
möglichen Heizstufen geregelt, so daß bei dieser Verfahrensweise
die Heizeinrichtung im üblichen Grundregelbetrieb arbeitet
und Wärmeenergie liefert.
Nach Anspruch 6 wird für die Bestimmung des Temperaturgradienten ein solcher Bereich gewählt, der zwischen bereits im Regelsystem
vorgegebenen Temperaturschwellwerten liegt, wobei der tiefer liegende Temperaturschwellwert die Einschaltung des
Fahrzeuggebläses auslöst und der höher liegende Temperaturschwellwert eine Umschaltung der Heizeinrichtung auf den Teillastbetriebszustand
bewirkt. Empirisch bestimmbare Temperaturwerte hierfür liegen bei etwa 5O0C und etwa 8O0C
Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 ermöglicht eine konstruktiv einfache Durchführungsweise des erfindungsgemäßen
Regelverfahrens. Gegebenenfalls kann diese Schaltungsanordnung
auch als Mikroprozessorbaustein oder hochintegrierter Logikbaustein ausgeführt sein,
Bei dieser Schaltungsanordnung arbeiten eine Ermittlungs-
§inrichtung für den Temperaturgradienten, eine Steuereinrichtung
die mit der Ermittlungseinrichtung verbunden ist und die Heizleistungsregelschaltung
der Heizeinrichtung zusammen, um in Abhängigkeit von der Steilheit des mit der Ermittlungseinrichtung
ermittelten Temperaturgradienten die Heizleistungsregelschaltung der Heizeinrichtung derart anzusteuern, daß
eine bedarfsabhängige Heizleistung vom Heizgerät unter Verhinderung
von kritischen Betriebszuständen geliefert wird.
Zweckmäßigerweise enthält die Ermittlungseinrichtung gemäß Anspruch 9 einen Zeitmesser für die Aufheizzeitdauer zur
Erfassung der Steilheit des Temperaturgradienten. Hierbei ist die AufheizZeitdauer die maßgebende Regelgröße, und in
Abhängigkeit von derselben erfolgen dann unter Berücksichtigung von speziellen Betriebsbereichen der Heizeinrichtung entsprechende
Ansteuerungen der Heizleistungsregelschaltung über die nach der Erfindung vorgesehene Steuereinrichtung der Schaltungsanordnung.
Ferner kann eine Störungsmeldeeinrichtung vorgesehen sein, die über die Steuereinrichtung angesteuert
wird und eine Störungsmeldung abgibt, wenn aufgrund der Resultate der Ermittlungseinrichtung das viärmeaustauschmedium
sehr schnell aufgeheizt wird, wofür als Ursachen die Betriebsstörung oder ein Bedienungsfehler in der Heizeinrichtung
in Betracht kommen. Zur Abführung der Restwärme kann gegebenenfalls die Umwälzpumpe für eine Flüssigkeit als Wärmeaustauschmedium
weiterlaufen oder sie wird auch abgeschaltet.
Mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 wird der Heiz-
-u-
leistungsregelbetrieb der Heizleistungsregelschaltung im
Vergleich zum Grundxegelbetrieb derart abgeändert, daß man.größere
Regelpausen zwischen Schaltzustandsänderungen der Heizleistungsregelschaltung erhält. Hierdurch läßt sich der elektrische
Energieverbrauch der Heizeinrichtung drosseln und die Heizeinrichtung arbeitet insgesamt betriebszuverlässiger.
Zur Bestimmung der einzelnen Schaltzustände der Steuereinrichtung bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden zweckmäßigerweise
Komparatorschaltungen verwendet. Zur Zeitmessung kann der Zeitmesser bei Erreichen des ersten tieferliegenden
Temperaturschwell wertes eingeschaltet und bei Erreichen des zweiten Temperaturschwellwertes abgeschaltet werden und gegebenenfalls
kann mit Hilfe einer Subtrahiereinrichtung die Zeitdifferenz ermittelt werden.
Selbstverständlich können diese Schaltungseinzelheiten auch in einen Mikroprozessor oder einen anderen hochintegrierten
Logikbaustein integriert sein.
Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung
des Verfahrens zum Regeln der Heizleistung nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung
des Verlaufs von Temperaturgradienten und der sich hieraus ergebenden unterschiedlichen
Schaltzustände der Heizleistungsregelung,
Fig. 3a-3c schematische Ansichten zur Verdeutlichung des Ablaufs der Heizleistungsregelung in
den verschiedenen in Fig. 2 angegebenen Bereichen,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung
zum Regeln der Heizleistung nach der Erfindung, und
Fig. 5 ein Blockschaltbild der Schaltsteuerung.
Aus dem Ablaufdiagramm nach Fig. 1 lassen sich die verschiedenen
Regelschritte des Verfahrens zum Regeln der Heizleistung nach der Erfindung entnehmen. Zuerst wird das Heizgerät gestartet.
Dann werden Sicherheitsüberprüfungen am Heizgerät durchgeführt, bevor der eigentliche Ablauf des Regelverfahrens
beginnt. Wenn die Temperatur des Wärmeaustauschmediums T wie des Wassers, beispielsweise bei einem Wasserheizgerät kleiner als ein
erster vorbestimmter Temperatürschwellwert ist, wird der
Vergleich von Temperatur des Wärmeaustauschmediums mit dem ersten vorbestimmten Temperaturschwellwert Tg1 ständig wie-
derholt. Sobald die Temperatur des IJärmeaustauscnroediums T größer als
der erste vorbestimmte Temperaturschwellwert T1 ist, wird
mit der Zeitmessung begonnen. Hierzu wird der Zeitmesser eingeschaltet. Sobald die Temperatur Tw des Wärmeaustauschmediums
den zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwert T - ^erreicht hat, ist die Zeitmessung beendet und der Zeitmesser
wird gestoppt. Im Anschluß daran wird die Aufheizzeitdauer, d.h. jene gemessene Zeit ermittelt, die man benötigte, um
das Wärmeaustauschmedium vom ersten vorbestimmten Temperaturschwellwert T1 zum zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwert
T _ aufzuwärmen. Die so ermittelte Aufheizzeitdauer t
wird dann mit einem ersten vorbestimmten Vorgabewert t . verglichen. Wenn die Aufheizzeitdauer t größer als der
erste vorbestimmte Vorgabewert tv. ist, wird in einem weiteren
Schritt ermittelt, ob die Aufheizzeitdauer t größer oder kleiner als ein zweiter vorbestimmter Vorgabewert tv_
für die Aufheizzeitdauer ist. Ist die Aufheizzeitdauer t kleiner als der zweite Vorgabewert tv„, so werden die vorgegebenen
Temperaturschwellwerte für die Betriebszustandsänderung
der Heizeinrichtung zu tieferen Temperaturwerten verlegt. In diesem Zustand des Regelverfahrens ist somit ein
reduzierter Wärmebedarf vorhanden und das Regelverfahren
läuft in einem Regelbereich B ab, der anhand den Fig. 2 und 3 noch näher erläutert wird.
Wenn die Aufheizzeitdauer tA größer als der zweite Vorgabewert
tv2 ist, so wird die Heizleistung im Grundregelbetrieb
Copy-
geregelt und das Regelverfahren läuft gemäß dem Regelbereich
C ab, der ebenfalls anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird.
Wenn die AufheizZeitdauer t hingegen kleiner als der erste
vorbestimmte Vorgabewert t . ist/ so wird die Heizeinrichtung
abgeschaltet, wobei bei einem flüssigen Wärmeaustauschmedium
beispielsweise durch das Inbetriebbleiben der Umwälzpumpe die Flüssigkeit noch weiter umgewälzt wird, um die Restwärme abzuführen oder
auch diese Umwälzpumpe abgeschaltet wird. Bei diesem Vergleichsergebnis ist kein Wärmebedarf vorhanden und das Regelverfahren
durchläuft den Bereich A, der anhand den Fig. 2 und 3 noch näher erläutert wird.
In Fig. 2 ist die Temperatur T des Wärmeaustauschmediums
über der Zeit t aufgetragen. Als Beispiel für den ersten Temperaturschwellwert Tg1 ist etwa 500C gewählt, bei dem
z.B. das Fahrzeuggebläse der fahrzeugeigenen Heizeinrichtung eingeschaltet wird. Als zweiter vorbestimmter Temperaturschwellwert
Tc0 ist eine Temperatur von etwa 80° gewählt, bei der die
Heizleistung vom Vollastbereich auf den Teillastbereich zurückgeschaltet wird. Bei höheren Temperaturen T als der
zweiten Temperaturschwelle T2 wird vom Teillastbereich auf
eine Regelpause umgeschaltet. Bei Temperaturen T zwischen den beiden Temperaturschwellwerten T1 und T„2 kann eine
Umschaltung von Teillast auf Vollast bei der Heizleistungsregelung erfolgen. Wenn die Temperatur Tw kleiner als
COPY
der erste Temperaturschwellwert T1 ist, ist das Fahrzeug-
D ι
gebläse ausgeschaltet.
Auf der mit t bezeichneten Zeitachse des Diagramms ist zur
Bestimmung des Temperaturgradienten für die Aufheizung des Wärmeaustauschmediums zwischen den beiden Temperaturschwellwerten
Te1 und Tc0 die AufheizZeitdauer t aufgetragen.
Mit t - ist der erste vorbestimmte Vorgabewert für die Aufheizzeitdauer und mit tv2 der zweite vorbestimmte Vorgabewert
für die Aufheizzeitdauer bezeichnet.
Eine erste Grenzkurve ist mit 1 eingetragen und ist linear angenähert. Sie ergibt sich beispielsweise bei einer Leistung
von 30 K/min. Eine zweite Grenzkurve 2 ergibt sich bei einer Leistung von beispielsweise 10 K/min und ist ebenfalls als
Gerade angenähert. Mit A, B und C sind die jeweiligen Regelbereiche
eingetragen, die jenen im Ablaufdiagramm nach Fig. entsprechen.
Im Bereich A, in dem die Aufheizzeitdauer t, kleiner als der
erste Vorgabewert tv- ist, steigt somit die Temperatur T
des Wärmeaustauschmediums sehr schnell an und es ergibt sich ein steil verlaufender Temperaturgradient für die Aufheizung
des Wärmeaustauschmediums. In diesem Bereich A kann somit die von der Heizeinrichtung gelieferte Heizleistung
nicht verbraucht werden. Dies kann auf eine Störquelle oder eine Fehlbedienung der Heizeinrichtung zurückzuführen sein.
COPY
Als Ursache hierfür kommt beispielsweise ein geschlossenes
Heizregelventil oder irgendein anderer Nullabschluß im Kreislauf beispielsweise eines flüssigen Wärmeaustauschmediums in Betracht. In diesem
Bereich A erfolgt die Regelung derart, daß die Heizeinrichtung zwangsweise abgeschaltet wird, wobei zur Abführung
der Restwärme die Umwälzpumpe für das beispielsweise flüssige Wärmeaustausch· medium nach dem Abschalten noch weiterarbeiten kann. Da in
diesem Betriebszustand die von der Heizeinrichtung gelieferte Heizleistung nicht abgeführt wird, würde bei einem Weiterbetreiben
der Heizeinrichtung in unnötiger Weise Energie verbraucht.
Im Bereich B tritt ein relativ schneller Temperaturanstieg auf oder man erhält einen relativ steilen Temperaturgradienten
für die Aufheizung des Wärmeaustauschmediums, und in diesem Bereich ist folgende Bedingung erfüllt: tvl
< t
= tv2· Bei einem solchen Temperaturgradienten ist zu
erwarten, daß die Heizeinrichtung im Teillastbetrieb eine grössere Heizleistung liefert als insgesamt abgeführt werden
kann oder als insgesamt benötigt wird.
Insbesondere in den wärmeren Übergangszeiten des Jahres ist in diesem Bereich die angebotene Heizleistung größer als der
Bedarf. Als weitere Ursache kommen gedrosselte Heizregelventile oder geschlossene Heizungsklappen in Betracht. Auch wenn
die Brennkraftmaschine sich im betriebswarmen Zustand befindet, kann bei einem Zuheizen dieser Regelbereich erreicht
JOPV ORIGINAL INSPECTED
werden. Wenn in diesem Bereich B der zweite vorbestimmte Temperaturschwellwert
Τς~ erreicht oder überschritten wird, so
wird der Heizleistungsregelbetrieb unterbrochen und es wird eine sogenannte Regelpause eingeleitet. Ferner wird ,der Rückschaltpunkt
vom Teillastbetrieb auf den Volllastbetrieb in nennenswertem Maße in Richtung tieferliegenden
Temperaturen herabgesetzt, wie z.B. auf den ersten vorbestimmten Temperaturschwellwert Tg.. oder sogar niedriger.
Durch diese Regelungsweise der Heizleistung im Bereich B wird ein schneller Wechsel von Brennbetrieb der Heizeinrichtung
zu einer Regelpause und umgekehrt vermieden. Andererseits können sich aber auch beispielsweise durch einen Anstieg des
Wärmebedarfs die Regelgrößen ändern und das Regelverfahren geht dann in den Regelbereich C über.
Im Regelbereich C ist die bei Teillastbetrieb der Heizeinrichtung gelieferte Heizleistung kleiner als der geforderte
Wärmebedarf. Die Heizeinrichtung arbeitet in diesem Bereich abwechselnd im Vollast- und Teillastbereich oder
nur im Vollastbereich. Da in diesem Regelbereich keine Wiedereinschaltungen der Heizeinrichtung erforderlich sind,
wird wenig elektrische Energie verbraucht. Im Regelbereich C hat man somit den günstigsten Energie wirkungsgrad.
Wird die Heizeinrichtung zum Zuheizen einer fahrzeugeigenen Heizung eingesetzt und befindet sich die Temperatur T„ des beispielsweisen
flüssigen Wärmeaustauschmediums zum Zeitpunkt des Einschaltens
_ 21 _
der Heizeinrichtung zwischen den beiden Temperaturschwellwerten Tg. und TS2>
so wird die Regelung wie im Regelbereich B durchgeführt. Nach Abkühlen der Temperatur T„ des
Wärmeaustauschmediums auf den ersten vorbestimmten Temperaturschwellwert T1 und nach dem Wiederinbetriebnehmen der Heizeinrichtung
wird dann die Aufheizzeitdauer tÄ zwischen den
beiden Temperaturschwellwerten T .. und Tg2 gemessen, wie sich
dies aus Fig. 1 ergibt.
In den Fig. 3a bis 3c sind zur Verdeutlichung in schematischer Weise die Regelabläufe in den Regelbereichen A, B und C gemäß
den Fig. 1 und 2 veranschaulicht.
Bei der Heizleistungsregelung im Bereich A wird die Heizeinrichtung,
wie in durchgezogener Linie in Fig. 3a eingetragen, entweder bei Erreichen des zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwerts
Τςρ sofort ausgeschaltet, oder die Heizeinrichtung
wird bei Erreichen des zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwertes Tg2 auf den Teillastbetrieb umgeschaltet und dann
ausgeschaltet. Bei der letztgenannten Regelweise wird dann die Restwärme noch abgeführt.
Im Regelbereich B gemäß Fig. 3b wird die Heizeinrichtung bei Erreichen des zv/eiten vorbestimmten Temperaturschwellwerts
Tg2 auf den Teillastbetrieb umgeschaltet und dann wird eine
Regelpause beim Verfahrensablauf eingeleitet, in der nur das Fahrzeuggebläse und eine Wasserpumpe dex Heizeinrichtung in Betrieb
ist. Sobald die Temperatur T des Wärmeaustauschmediums wiederum
bis zum ersten vorbestimmten Temperaturschwellwert Τς1
abgefallen ist, wird die Heizleistung im Vollastbetrieb geliefert, bis der zweite vorbestimmte Temperaturschwellwert Τς2
erreicht wird. Ab diesem Zeitpunkt wird dann im Regelablauf von Vollast auf Teillast wiederum umgeschaltet. Somit werden |
zyklisch, ausgehend von Vollast über Teillast zur Regelpause jeweils in dieser Reihenfolge verschiedene Regelzustände durchlaufen.
In Fig. 3 c ist der Regelbereich C verdeutlicht, bei dem die
«i Heizeinrichtung bis zum Erreichen des zweiten vorbestimmten $
Temperaturschwellwerts T „ im Vollastbereich betrieben wird,
dann in den Teillastbereich umgeschaltet wird und bei Erreichen einer zwischen den beiden Temperaturschwellwerten Tc1 %
und T0 liegenden Temperatur wieder eine Rückschaltung in den
Vollastbetrieb bis zum Erreichen des zweiten vorbestimmten Temperaturschwellwerts T33 erfolgt. In diesem Regelbereich
erfolgt zyklisch im Wechsel eine Umschaltung zwischen Teillastbetrieb
und Vollastbetrieb.
In Fig. 4 ist in einem Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Heizleistung nach der Erfindung gezeigt.
Als Beispiel ist ein Heizgerät mit flüssigem Wärmeaustauschmedium, wie Wasser gewählt. Selbstverständlich kann in analoger
Weise auch bei einem gasförmigen Wärmeaustauschmedium, wie Luft vorgegangen werden. Eine Heizeinrichtung 10 hat ein Brenneraggregat
11, das mit Brennstoff über eine Brennstoffleitung 12 versorgt wird, in der eine Brennstoffpumpe angeordnet ist. Dem Brenneraggregat
11 wird ferner Brennluft über ein Brennluftgebläse zugeführt . Das so
ORIGINAL INSPECTBD
im Brenneraggregat erzeugte brennbare Gemisch aus Brennluft
und Brennstoff wird mit Hilfe einer Zündeinrichtung 15 gezündet, die beispielsweise von einer Glühkerze gebildet werden
kann. In einer von einem Flammrohr 16 begrenzten Brennkammer 17 wird das brennbare Gemisch verbrannt und die hierbei
gebildeten heißen Verbrennungsgase geben ihre Wärme mit Hilfe eines Wärmeaustauschers 18 an ein flüssiges Wärmeaustauschmedium,
wie Wasser, ab, das in einem Wassermantel 19 strömt. Die beim Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher 18 abgekühlten
Verbrennungsgase verlassen die Heizeinrichtung 10 über einen Abgasauslaß 20.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel ist die Heizeinrichtung 10 in einen Wasserkreislauf integriert, in dem auch ein
Wärmeaustauscher 21 angeordnet ist, der in üblicher Weise zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums 22 dient. Diesem Wärmeaustauscher
21 ist ein Fahrzeuggebläse 23 zugeordnet. Im mit 24 in Fig. 4 bezeichneten Wassereintrittsbereich der
Heizeinrichtung 10 ist eine Wasserumwälzpumpe 25 angeordnet.
Diese Wasserumwälzpumpe führt das Wasser als flüssiges Wärmeaustauschmedium durch den Wassermantel 19 der Heizeinrichtung
10 und das Wasser tritt über den Wasseraustrittsbereich 26 der Heizeinrichtung 10 aus und strömt zur Einlaßseite des
Wärmeaustauschers 21. Die Austrittsseite des Wärmeaustauschers 21 ist zur Schließung des Wasserkreislaufes mit dem Wasereintrittsbereich
24 der Heizeinrichtung 10 verbunden.
Ferner ist in Fig. 4 noch ein Flarnmwächter 27 eingetragen,
der in die Brennkammer 17 ragen kann, um die Flammenbildung bei
der Verbrennung zu überwachen. Im Wassermantel 19, vorzugsweise
in der Nähe des Wasseraustrittsbereiches 26 der Heizeinrichtung 10, ist ein Temperatursensor 28 angeordnet,
der die Temperatur des flüssigen Wärmeaustauschmediums, wie des Wassers, mißt. Diese Temperatur ist mit T„ bezeichnet.
Insgesamt mit 30 ist eine Heizleistungsregelschaltung bezeichnet, mit der die Brennstoffpumpe 13, das Brennluftgebläse 14,
die Zündeinrichtung 15, der Temperatursensor 28, der Flammwächter 27, die Wasserumwälzpumpe 25 und das Fahrzeuggebläse
2 3 des Wärmeaustauschers 21 verbunden sind. Über die Heizleistungsregelschaltung
30 wird die Heizeinrichtung hinsichtlich ihrer Heizleistung im Grundregelbetrieb betrieben. Über eine
Steuereinrichtung 31 erfolgt eine Ansteuerung zur Regelung gemäß der Erfindung.
In Fig. 5 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen
Heizleistungsregelschaltung 30 gezeigt. Die Steuereinrichtung 31 ist bei diesem Beispiel in einem Mikroprozessor
32 integriert. Der Mikroprozessor 32 wird über eine Spannungsversorgungseinrichtung 33 mit Spannung, beispielsweise von
einer Fahrzeugbatterie (nicht dargestellt) versorgt. In der Zuleitung zu der Spannungsversorgungseinrichtung 33 ist eine
Sicherung angeordnet. Ferner ist ein Hauptschalter 35 vorgesehen, in dessen geschlossenem Zustand der Mikroprozessor 32
mit Spannung über die Spannungsversorgungseinrichtung 33
versorgt wird. Ein Flammwächtersignal, das von dem Flammwächter
27 in Fig. 4 kommt, wird über einen Analog/Digital -Wandler 36 dem Mikroprozessor 32 zugeführt. Das Signal des Temperatursensors
28 im Wassermantel 19 gemäß Fig. 4 wird dem Mikroprozessor
32 über einen weiteren Analog/Digital -Wandler 37 zugeleitet. Im Mikroprozessor 32 wird dann über das anliegende
Signal des Temperatursensor 28 der Temperaturgradient ermittelt und in Abhängigkeit von seiner Steilheit wird dann
die Heizleistungsregelung entsprechend dem erfindungsgernäßen Verfahren durchgeführt. In Abhängigkeit von den im Mikroprozessor
32 ermittelten Werten, in den auch ein Zeitmesser integriert ist, werden dann über eine Ausgangsstufe der Heizleistungsregelschaltung
30 die entsprechenden Einrichtungen angesteuert. In Fig. 5 sind hierzu beispielsweise die Züneinrichtung
15, die Brennstoffpumpe 13, das Brennluftgebläse 14, die Wasserumwälzpumpe 25 und das Fahrzeuggebläse 23 angedeutet,
die dann in Abhängigkeit von dem Temperaturgradienten bzw. der Aufheizzeitdauer t, so angesteuert werden, wie dies
anhand den vorstehend eingehend erläuterten Regelverfahrensschritten beschrieben ist.
Selbstverständlich können abweichend von dem dargestellten Beispiel anstelle des Mikroprozessors 32 auch gesonderte Einrichtungen
für die Steuereinrichtung, den Zeitmesser, eine Subtraktionseinrichtung usw. verwendet werden. Zur Ermittlung
der Aufheizzeitdauer t, kann mit dem Zeitmesser auch eine Komparatorschaltung verbunden sein, deren Ausgänge dann
mit der oteuereinrichtungj in entsprechender Weise verbunden
sind, um das nach der Erfindung angestrebte Regelverfahren zu verwirklichen und die Heizeinrichtung 10 entsprechend
diesem Regelverfahren hinsichtlich ihres Betriebs zu steuern.
Im Falle einer Störung aktiviert die Steuereinrichtung 31 eine Störungsmeldeeinrichtung 39, um eine Anzeige oder
dergleichen auszulösen, wobei insbesondere eine detaillierte Fehlerdiagnose erfolgen kann.
Selbstverständlich sind der oder die Temperatursensoren derart angeordnet, daß sie zuverlässig die für die Regelung
maßgebenden Kenngrößen erfassen können.
copy
Te1 erster vorbestiniinter Temperaturschwellwert
Tw Temperatur des Wärmeaustauschmediums (Wasser)
T_2 zweiter vorbestimmter Temperaturschwellwert
t Aufheizzeitdauer
tv1 erster vorbestimmter Vorgabewert für die Aufheizzeitdauer
•L·.- zweiter vorbestimmter Vorgabewert für die AufheizZeitdauer
1 erste Grenzkurve
2 zweite Grenzkurve
10 Heizeinrichtung
11 Brenneraggregat
12 Brennstoffleitung
13 Brennstoffpumpe
14 Brennluftgebläse
15 Zündeinrichtung
16 Flammrohr
17 Brennkammer
18 Wärmeaustauscher der Heizeinrichtung
19 Wassermantel
20 Abgasauslaß
21 Wärmeaustauscher (fahrzeugeigen)
22 Fahrzeuginnenraum
23 Fahrzeuggebläse
24 Wassereintrittsbereich
COPY
ORIGINA!
25 Wasserumwälzpumpe
26 Wasseraustrittsbereich
27 Flammwächter
28 Temperatursensor
30 Heizleistungsregelschaltung
31 Schaltsteuerung
32 Mikroprozessor mit Zeitbasis
3 3 Spannungsversorgungseinrichtung
34 Sicherung
35 Hauptschalter
36 A/D.-Wandler oder Komparator für Flammwächter signal
37 A/D-Wandler oder Komparator für Temperatursensorsignal
38 Ausgangsstufe
39 Storungsmeldeeinrichtung
Claims (16)
1. Verfahren zum Regeln der Heizleistung einer mit einem Wärmeaustauschmedium arbeitenden Heizeinrichtung,
insbesondere für Fahrzeuge, bei dem die Heizleistung in Abhängigkeit von einer Regeltemperatur mit vorbestimmten
Temperäturschwellwerten auf verschiedene mögliche Heizstufen, wie Vollast für einen großen Heizleistungsbedarf oder
Teillast für einen geringen Heizleistungsbedarf geregelt wird oder die Heizeinrichtung abgeschaltet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Temparaturgradient für die Aufheizung des
Wärmeaustauschmediums zwischen zwei Temperaturschwellwerten ermittelt und in Abhängigkeit von der Steilheit des Temperaturgradienten
der Betriebszustand der Heizeinrichtung geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als charakteristische Größe für die
Steilheit des Temperaturgradienten die Aufheizzeitdauer des iäririeaustauschmediums zwischen den beiden
Temperaturschwellwerten gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß bei Unterschreiten des ersten vorbestimmten
Vorgabewertes für die Aufheizzeitdauer die Heizeinrichtung abgeschaltet wird, wobei das Wa rmeaustauschmedium
entweder zur Abführung der Restwärme weiter umgewälzt wird oder nicht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e η η
ze ichnet, daß bei Unterschreiten eines zweiten vorbestimmten Vorgabewertes für die Aufheizzeitdauer, der
größer als der erste Vorgabewert ist, der Temperaturschwellwert für die Betriebszustandsänderung der Heizeinrichtung
abgesenkt wird.
5. . Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß bei Überschreiten des zweiten vorbestimmten
Vorgabewertes für die AufheizZeitdauer der
Grundregelbetrieb der Heizeinrichtung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Temperaturgradient
im Bereich zwischen dem Temperaturschwellwert für die Einschaltung des Fahrzeuggebläses und dem Temperaturschwellwert
für die Umschaltung der Heizeinrichtung auf den Teillastbetriebs zustand ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Temperaturschwellwert für die
Einschaltung des Heizgebläses bei etwa 500C und der Temperaturschwellwert
für die Umschaltung der Heizeinrichtung auf den Teillastbetriebszustand bei etwa 800C liegt.
8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Heizleistungsregelschaltung,
die in Abhängigkeit von einer mittels eines Temperatursensors im iJärmeaustauschmedium der Heizeinrichtung
gemessenen Regeltemperatur unter Vorgabe vorbestimmter Temperaturschwellwerte
die Heizeinrichtung in verschiedenen möglichen Heizstufen, wie Vollast oder Teillast betreibt,
oder dieselbe abschaltet, gekennzeichnet durch eine Ermittlungseinrichtung (28, 37, 32) für den Tem-
peraturgradienten des Wärineaustauschmediums zwischen
wenigstens zwei Schwellwerten (T1, T „), die mit
einer Steuereinrichtung (31) verbunden ist, die in Abhängigkeit von der Steilheit des Temperaturgradienten die Heizleistungsregelschaltung
(30) ansteuert.
9. Schaltungsanordnung nach Ansprucö 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Ermittlungseinrichtung
(28, 37, 32) für den Temperaturgradienten ein Zeitmesser für die Aufheizzeitdauer (t ) des Wärmeaustauschmediums
zwischen wenigstens zwei Schwellwerten (T„-,
T32) ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß im Zeitmesser ein erster vorbestimmter
Vorgabewert (t .) für die Aufheizzeitdauer (t ) voreinstellbar ist und die Steuereinrichtung (31) bei Unterschreiten
des Vorgabewertes (t 1) über die Heizleistungsregelschaltung
(30) die Heizeinrichtung (10) abschaltet, wobei gegebenenfalls die Umwälzpumpe(25) für das Wärmeaustauschmedium
in flüssiger Form entweder eingeschaltet bleibt oder ausgeschaltet ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung (31) eine Störungsmeldeeinrichtung (39) r insbesondere mit
detaillierter Fehlerdiagnose, aktiviert.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß im Zeitmesser
ein zweiter vorbestimmter Vorgabewert (t ~) für die Aufheizzeitdauer
(t ) voreinstellbar ist, der größer als der erste Vorgabewert (t ·.) ist, und daß bei Unterschreiten des zweiten
Vorgabewertes (t ~) über die steuereinrichtung (31) die
Heizleistungsregelschaltung (30) derart ansteuerbar ist, daß der Temperaturschwellwert für die Betriebszustandsänderung
der Heizeinrichtung (10) absenkbar ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß bei Überschreiten des
im Zeitmesser voreingestellten zweiten vorbestimmten Vorgabewertes (t „) für die Aufheizzeitdauer (t ) die Steuereinrichtung
(31) die Heizleistungsregelschaltung (30) im
Grundregelbetrieb beläßt.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis
13, dadurch gekennzeichnet , daß zum Vergleich der Vorgabewerte (t -, t ) für die Aufheizzeitdauer (t ) und
der mit dem Zeitmesser gemessene tatsächlichen Aufheizzeitdauer Komparatorschaltungen vorgesehen sind, deren Ausgänge
mit der steuereinrichtung (31) verbunden sind.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis
14, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitmesser bei Erreichen des Temperaturschwellwerts (Tg-i) für
die Einschaltung des Fahrzeuggebläses (23) aktiviert und
bei Erreichen des Temperaturschwellwertes (T52) für die Umschaltung
in den Teillastbetriebszustand desaktiviert wird und daß mit Hilfe einer Subtraktionseinrichtung die gemessene
Zeitdifferenz als Kenngröße für die Steilheit des Temperaturgradienten
bestimmbar ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß im Zeitmesser
als erste Vorgabezeit etwa 1 min unu/oder als zweite Vorgabezeit für die Aufheizzeitdauer etwa 3 min eingestellt ist.
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