DE4447286A1 - Fahrzeugheizgerät mit geregeltem Verbrennungsluftgebläse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizgerät, mit einem Brenner, dem Brennstoff und über ein von einem Elektromotor angetriebenes Verbrennungsluftgebläse Verbrennungsluft zugeführt wird, und einer Steuerung.

Fahrzeugheizgeräte gelangen insbesondere als antriebsmotorunabhängige Zusatzheizgeräte in Personen- und Lastkraftwagen, Campinganhängern, Campingmobilen, aber auch in Booten und Schiffen zum Einsatz. Ein spezielles Anwendungsgebiet sind auch Baumaschinen und -geräte, die insbesondere für den Winterbetrieb eine ausreichende Beheizung für den Maschinenführerraum benötigen.

Wesentliche Bestandteile der üblichen Fahrzeugheizgeräte sind eine von einem umgewälzten Wärmeträger umströmte Brennkammer, welcher ein Brenner vorgeschaltet ist, dem seinerseits über eine Dosierpumpe Brennstoff und über eine Verbrennungsgebläseeinheit Verbrennungsluft zugeführt werden. Der Betrieb des Fahrzeugheizgeräts wird von einer üblicherweise als Elektronik-Bauteil ausgebildeten Steuerung gesteuert.

Früher war es üblich, derartige Fahrzeugheizgeräte mit stufenweise verstellbarer Leistung auszuführen. Je nach eingestellter Leistungsstufe wurde dem Brenner dann von der Dosierpumpe eine bestimmte Menge Brennstoff zugeführt, und dazu entsprechend wurde das Verbrennungsluftgebläse mit einer solchen, konstanten Drehzahl betrieben, daß sich - im Idealfall - die hinsichtlich Abgaszusammensetzung, Temperaturen und Wirkungsgrad günstigste Verbrennung ergab.

Solange der das Verbrennungsluftgebläse antreibende Elektromotor mit konstanten Spannungen betrieben wird, ist die Drehzahl des Motors abhängig von einer stabilen Versorgungsspannung. Bei Schwankungen der Versorgungsspannungen müssen beträchtliche Drehzahlschwankungen in Kauf genommen werden. Das Verhältnis von Verbrennungsluft und Brennstoff ändert sich dabei unter Umständen sehr stark, so daß die Verbrennung bei weitem nicht optimal ist. Zur Behebung dieser unzulänglichen Versorgung des Brenners mit Verbrennungsluft, aber auch im Hinblick auf eine stufenlose Änderung der Brennerleistung mit entsprechend stufenloser oder feinabgestufter Einstellung der Brennstoffzufuhr wurde die Drehzahlregelung für den Antriebsmotor des Verbrennungsluftgebläses eingeführt. Ausgangspunkt war die jeweils geforderte Brennerleistung, in deren Abhängigkeit die Brennstoffzufuhr über die Ansteuerung der Dosierpumpe eingestellt wurde. Abhängig von dem Brennstoff-Durchsatz wurde dann die Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses - basierend auf den Kennwerten des Verbrennungsluftgebläses - so geregelt, daß man eine optimale Verbrennung erwarten durfte.

Ein derart aufgebauter und betriebener Brenner eines Fahrzeugheizgeräts arbeitet mit Einschränkungen zufriedenstellend. Allerdings gibt es trotz der Drehzahlregelung des Verbrennungsluftgebläses noch erhebliche Abweichungen der pro Zeiteinheit von dem Gebläse geförderten Luftmenge von der auf die geförderte Brennstoffmenge bezogenen idealen Luftmenge. Während der Durchsatz von Brennstoff mit den heute zur Verfügung stehenden, üblicherweise als druckgesteuerte Pumpe ausgebildeten Dosierpumpen in sehr engen Grenzen mit hoher Genauigkeit geregelt werden kann, unterliegt der von der Drehzahl abhängige Durchsatz von Luft bei den derzeit üblichen Verbrennungsluftgebläsen erheblichen Schwankungen. Zurückzuführen ist diese unerwünschte Eigenschaft üblicher Gebläse auf gewisse Störgrößen, zu denen insbesondere die Fertigungstoleranzen gehören. Nicht nur das Gebläse selbst in seinem mechanischen Aufbau unterliegt erheblichen Fertigungstoleranzen, sondern auch die für den Antrieb des Gebläses verwendeten Elektromotoren weisen erhebliche Streuung auf. Üblicherweise werden Verbrennungsluftgebläseeinheiten einschließlich Antriebsrotor mit herstellerseitig angegebenen Toleranzen von ±10% in den Handel gebracht. Das heißt: Bei einem beispielsweise durch eine Kennlinie angegebenen Verlauf des Luftdurchsatzes in Abhängigkeit der Gebläsedrehzahl kann der Luftdurchsatz bei bestimmten Drehzahlen um 10% über oder um 10% unterhalb des Sollwerts liegen. Anders ausgedrückt: Die gesamte Schwankungsbreite des Luftdurchsatzes bei einer gewissen Drehzahl bei einem Sollwert von "100" kann zwischen 90 und 110 liegen.

Man sieht also, daß auch bei sehr gut arbeitender Drehzahlregelung, bei der die Ist-Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses bzw. des das Gebläse antreibenden Elektromotors mit der Soll-Drehzahl verglichen wird, die tatsächlich geförderte Luftmenge erheblich von der idealen Luftmenge abweichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugheizgerät der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem mit vergleichsweise einfachen Mitteln praktisch immer eine optimale Verbrennung im Brenner erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in dem Verbrennungsluftkanal ein Massenstromsensor angeordnet ist, dessen Ausgang mit der Steuerung verbunden ist, welche in Abhängigkeit des Sensor-Ausgangssignals die Drehzahl des Elektromotors regelt.

Luftmassenstromsensoren sind heute Stand der Technik, sie werden speziell bei der Regelung von Katalysatoren des Abgases von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Eine spezielle Ausführungsform ist als Hitzedraht-Anemometer ausgebildet. Der Sensor liefert ein analoges oder digitales Signal, welches von der Steuerung weiterverarbeitet wird. Die Steuerung gibt dann ein Stellsignal an den Elektromotor des Gebläses, um die Gebläsedrehzahl auf einen solchen Wert einzuregeln, daß der gemessene Luftmassenstrom dem durch die jeweilige geförderte Brennstoffmenge entsprechenden Soll-Massenstrom entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Massenstromsensor in dem Verbrennungslufteinlaßkanal stromauf bezüglich des Verbrennungsluftgebläses angeordnet. Diese Anordnung ist baulich besonders günstig. Möglich ist grundsätzlich aber auch die Anordnung des Massenstromsensors direkt hinter dem Gebläse.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben näher erläuterten Fahrzeugheizgeräte beschränkt, sondern die Regelung eines Verbrennungsluftgebläses in Abhängigkeit eines im Luftkanal angeordneten Massenstromsensors ist auch und insbesondere möglich bei Brennern für die thermische Regeneration eines Partikelfilters für Dieselmotorabgase. Bekanntlich dienen solche Brenner zum "Reinigen" von Partikelfiltern im Abgaskanal von Dieselmotoren. Auch bei derartigen Brennern (Heizgeräten) können die oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Regelung des Verbrennungsluftgebläses genutzt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Teils eines Fahrzeugheizgeräts, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugheizgeräts.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll anhand von Fig. 2 zunächst kurz der grundsätzliche Aufbau eines Fahrzeugheizgeräts erläutert werden.

Ein Fahrzeugheizgerät 20 besitzt ein metallisches Gehäuse 22, in der eine bis auf eine brennerseitige Öffnung allseitig geschlossene Brennkammer 24 ausgebildet ist. Durch den Ringraum zwischen äußerem Gehäuse 22 und Brennkammer 24 wird Wasser als Wärmeträger geleitet, wozu in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Strömungsleitrippen auf der Außenseite der Brennkammer 24 ausgebildet sind.

Einem an die Brennkammer anschließenden Brenner 26 wird über eine Dosierpumpe P Brennstoff in der von einer Steuerung 4 vorgegebenen Menge entsprechend der angeforderten Brennerleistung zugeführt. Verbrennungsluft erhält der Brenner 26 über eine Verbrennungsluftgebläseeinheit 6. Die Verbrennungsluft gelangt über einen Verbrennungsluftkanal 2, in den ein schematisch angedeuteter Massenstromsensor 8 eingefügt ist, zu dem eigentlichen Gebläse.

Die Steuerung 4 empfängt verschiedene für den Steuerungsbetrieb erforderliche Signale und gibt an die verschiedenen Komponenten des Fahrzeugheizgeräts Stell- oder Schaltsignale.

Fig. 1 zeigt schematisch die Regelung der Verbrennungsluftgebläseeinheit 6, die einen Elektromotor 10 und ein mit der Ausgangswelle des Elektromotors 10 gekoppeltes Luftgebläse 12 enthält.

In Fig. 1 sind verschiedene Abschnitte 2₁, 2₂ und 2₃ des Verbrennungsluftkanals 2 dargestellt. Zwischen den Abschnitten 2₁ und 2₂ befindet sich der Massenstromsensor 8, der hier als Hitzedraht- Anemometer ausgebildet ist. Der Sensor 8 liefert ein Ist- Luftmassenstromsignal M an die Steuerung 4′ die außerdem ein Brennstoffdurchsatzsignal M_B empfängt. Aus dem Brennstoffdurchsatzsignal M_B ermittelt die Steuerung 4 einen Soll- Luftmassendurchsatz, und um diesen Durchsatz in dem Verbrennungsluftkanal einzustellen, stellt die Steuerung 4 die entsprechende Drehzahl n des Elektromotors 10 ein. Die Drehzahl n des Elektromotors 10 ist eine Funktion des in dem Verbrennungsluftkanal gemessenen Luftmassenstroms M; der Luftmassenstrom ist die pro Zeiteinheit strömende Luftmasse.

Wie man sieht, kann mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Regelung auch dann stets die zu dem Brennstoffdurchsatz optimal passende Verbrennungsluftmenge von dem Gebläse 12 gefördert werden, wenn dieses Gebläse 12 an sich unter dem Mangel eines sehr großen Toleranzbereichs leidet, also der in Abhängigkeit der Drehzahl n angegebene Luftstromdurchsatz sehr starken Schwankungen unterworfen ist. Selbst wenn sich die drehzahlabhängige Durchsatzkennlinie des Gebläses im Laufe der Zeit ändern sollte, beispielsweise durch Verformungen des Laufrades, Verschmutzung oder dergleichen, so wird dennoch stets die für eine optimale Verbrennung benötigte Luftmenge gefördert.

Claims (3)

1. Fahrzeugheizgerät mit einem Brenner (26), dem Brennstoff und über ein von einem Elektromotor (10) angetriebenes Verbrennungsluftgebläse (12) Verbrennungsluft zugeführt wird, und einer Steuerung (4), dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbrennungsluftkanal (2) ein Massenstromsensor (8) angeordnet ist, dessen Ausgang mit der Steuerung (4) verbunden ist, welche in Abhängigkeit des Sensor-Ausgangssignals (M) die Drehzahl (n) des Elektromotors (10) regelt.

2. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstromsensor (8) in dem Verbrennungslufteinlaßkanal stromauf bezüglich des Verbrennungsluftgebläses (12) angeordnet ist.

3. Brenner für thermische Regeneration eines Partikelfilters für Dieselmotorabgas, welchem Brennstoff und über ein von einem Elektromotor angetriebenes Verbrennungsluftgebläse Verbrennungsluft zugeführt wird, mit einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbrennungsluftkanal ein Massenstromsensor angeordnet ist, dessen Ausgang mit der Steuerung verbunden ist, welche in Abhängigkeit des Sensor-Ausgangssignals die Drehzahl des Elektromotors regelt.