EP0737135A1 - Fahrzeugheizgerät mit überhitzungs-überwachungseinrichtung - Google Patents

Fahrzeugheizgerät mit überhitzungs-überwachungseinrichtung

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Publication number
EP0737135A1
EP0737135A1 EP95905590A EP95905590A EP0737135A1 EP 0737135 A1 EP0737135 A1 EP 0737135A1 EP 95905590 A EP95905590 A EP 95905590A EP 95905590 A EP95905590 A EP 95905590A EP 0737135 A1 EP0737135 A1 EP 0737135A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature sensor
overheating
temperature
heat exchanger
microprocessor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95905590A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Burner
Jürgen EPPLE
Michael Humburg
Johannes Koch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
J Eberspaecher GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=6506570&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0737135(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by J Eberspaecher GmbH and Co KG filed Critical J Eberspaecher GmbH and Co KG
Publication of EP0737135A1 publication Critical patent/EP0737135A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2203—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from burners
    • B60H1/2206—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from burners controlling the operation of burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D23/1931—Control of temperature characterised by the use of electric means using a plurality of sensors sensing the temperaure in different places in thermal relationship with one or more spaces to control the temperature of one space
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/14—Vehicle heating, the heat being derived otherwise than from the propulsion plant

Definitions

  • the invention relates to a vehicle heater, with a combustion air blower and a fuel metering device which feed combustion air and fuel to a burner which generates a flame in a flame tube, a heat exchanger which is separated from the space accommodating the flame tube via a gas jacket, and by which a heat transfer medium, e.g. Water is pumped, a heat carrier temperature sensor that measures the heat carrier temperature, a control unit that regulates the operation of the vehicle heater depending on at least the measured heat carrier temperature, and an overheating monitoring device that indicates an impending
  • a heat transfer medium e.g. Water
  • Overheating on the heat exchanger responds to shut down the unit by shutting off the fuel supply or taking other countermeasures.
  • Vehicle heaters of this type are used in passenger cars, trucks, omnibuses, motor yachts, small aircraft, caravans, construction machines and the like.
  • Petrol or diesel is used as fuel, which is taken from the vehicle's fuel supply or an additional tank.
  • Water is usually used as the heat transfer medium, which is pumped by a water pump through the heat exchanger and a heating circuit in order to supply thermal energy to one or more radiators (vehicle heat exchangers).
  • Air can also be used as a heat carrier.
  • the heat carrier temperature sensor serves as a measured value sensor for determining the actual temperature of the heat carrier, which is compared in the control unit with a target temperature in order to regulate the operation of the vehicle heater.
  • the control device usually equipped with a microprocessor regulates the heat transfer medium temperature to a constant value by switching the burner on and off. This is done by switching on and off the fuel metering device usually designed as a fuel metering pump and the combustion air blower, and / or by controlling the fuel metering pump in such a way that a certain burner output is achieved.
  • Control unit contains a microprocessor which, in addition to a control program, also stores parameters and threshold values for the regulation.
  • the overheating monitoring device is designed there in such a way that the microprocessor receives a signal from an overheating sensor in order to compare this signal with an overheating threshold value.
  • the publication does not say where the overheating sensor is located and how it is designed.
  • the overheating monitoring device in the past, it was common to design the overheating monitoring device as a switch or fuse.
  • the fuse or the switch responds to an increased heat exchanger temperature in the region of the rear end of the flame tube in order to interrupt the circuit for the fuel metering pump, if necessary.
  • Disadvantages of such monitoring devices can be seen in the fact that the fuse can be replaced or the switch must be reset if necessary. This is tedious.
  • a vehicle heating device is installed in a motor vehicle, for example a car, the device is integrated into the cooling / heating water circuit of the vehicle.
  • a bypass line is connected to the vehicle heater in order to circulate the heat carrier in the heat exchanger of the vehicle heater when the vehicle heat exchanger (radiator) is switched off, ie when there is no heat removal to ensure.
  • the water inlet temperature then almost corresponds to the water outlet temperature at the vehicle heater. When the burner is in operation, this temperature rises relatively quickly, so that if a threshold value set for control operation is exceeded a short time later, the heater is switched off.
  • the invention is based on the object of specifying a vehicle heater of the type mentioned above, in which overheating is reliably ruled out, in particular if the heat transfer medium throughput in the heat exchanger is low.
  • the invention alternatively provides various possibilities, on the one hand “early detection” of an overheating condition to be expected with a high probability is realized, and on the other hand the safety of timely switching off of the device in the event of risk of overheating is achieved by a redundant system.
  • a temperature sensor is created which is particularly well suited for use in a vehicle heater of the type in question here.
  • the overheating monitoring device is equipped with an overheating temperature sensor, from which a signal is derived which, when a threshold value is exceeded, means the occurrence of an overheating condition to prevent the overheating temperature
  • Door sensor is arranged in the vicinity of the flame tube end in contact with the gas jacket of the heat exchanger of the vehicle heater, the control device generating a gradient signal from the output signal of the overheating temperature sensor, which is compared with the threshold value, or the control device from the Output signal of the
  • Overheating temperature sensor and the output signal of the heat carrier temperature sensor forms a difference value in order to compare this difference value with a difference threshold value.
  • the overheating temperature sensor arranged according to the invention is sent to the control unit a signal is supplied from which the control unit generates a gradient signal (time derivative of the
  • the overheating temperature sensor does not only respond when an absolute threshold value is reached, but rather responds to the speed at which the temperature at the heat exchanger changes. This corresponds to the early detection of a temperature change. tendency. Overheating is therefore reliably prevented in the heater if the heat transfer medium comes to a standstill.
  • the inventive design of the overheating monitoring device in the form described above also gives the control device the ability to perform the function of the heat temperature
  • the temperature sensor on the one hand and the function of the overheating temperature sensor on the other hand are monitored by comparing, according to the invention, the temperature value supplied by the heat transfer temperature sensor with the temperature value supplied by the overheating temperature sensor, in order, for example, to lock out a fault when a predetermined difference is determined to be exceeded cause.
  • This check of the functionality of the two temperature sensors is preferably carried out in normal operation, ie with a circulating heat transfer medium. In this case, the difference between the temperature value supplied by the overheating temperature sensor and the temperature value supplied by the heat transfer temperature sensor is constant within relatively narrow limits, the value supplied by the overheating temperature sensor being somewhat higher than the other value .
  • the evaluation of the value supplied by the overheating temperature sensor takes place in the control unit.
  • a second aspect of the present invention can be seen in the fact that, in addition or redundantly with regard to the evaluation of the overheating temperature sensor output signal, the burner is switched off directly by the signal coming from the overheating temperature sensor.
  • the control unit contains a microprocessor to which the measurement signals from the heat transfer temperature sensor and the overheating temperature sensor are fed for evaluation, and that a circuit containing a threshold switch is connected in parallel with the microprocessor, the output signal of the Threshold switch blocks the fuel supply to the burner or is used to initiate other countermeasures.
  • the threshold switch is connected in parallel with the microprocessor which evaluates the signal from the overheating temperature sensor provides increased security because the device is switched off either due to the evaluation of the signals by the microprocessor or by the threshold switch .
  • the microprocessor can recognize an overheating condition by whether the two temperature values change in the same direction, whether there is a minimum temperature distance between the two sensors, and whether the heat transfer medium temperature sensor does not deliver a higher temperature value than the overheating temperature sensor.
  • the measurement signals supplied by the heat transfer medium temperature sensor and the overheating temperature sensor can be evaluated to form a gradient signal. This evaluation takes place in the microprocessor. Instead of forming a gradient signal and using a gradient
  • the microprocessor can form a difference value from the two measurement signals in order to compare this difference value with a difference threshold value.
  • the knowledge is used that that measured by the heat transfer temperature sensor
  • Measured values supplied with temperature sensors with a difference threshold value are particularly effective. If the two signals differ from one another by more than the difference threshold value, this means with some probability that there is overheating or is imminent.
  • a functional test of the temperature sensors can also be carried out by comparing the measured values supplied by the two temperature sensors, but it is more important to recognize an overheating condition due to the difference threshold being exceeded.
  • the invention provides that a driver circuit is provided for the fuel metering device, which driver pulses for the clocked from the control device
  • the output of the threshold switch is connected to an input of a logic logic element, the other input of which the driver pulses are supplied.
  • the logic element is switched off. blocks, so that no drive pulses are supplied to the fuel metering device.
  • the temperature sensors are expediently designed as PTC elements or NTC elements, i.e. as elements that have a positive or negative temperature coefficient. These elements increase or decrease their electrical resistance with increasing
  • the overheating monitoring device is designed in the manner described above. According to a third aspect of the invention, it is now possible to dispense with such a comfortable overheating monitoring device in connection with an overheating temperature sensor.
  • the embodiment according to this third aspect of the invention can also include the configuration of the overheating monitoring device in the manner described above, but in a configuration which is not quite as cheap but cheaper, there is the risk of possible overheating in the case of non-circulating Heat carrier (which state can occur especially in the absence of a bypass line, as explained above) is excluded by the fact that the heat carrier temperature sensor is arranged on the heat carrier outlet side of the heat exchanger, specifically the water outlet side, and the control unit contains the temperature value measured by the heat carrier temperature sensor evaluates to a gradient signal, which is compared with a gradient threshold to turn off the device when the temperature rises too quickly.
  • the gradient of the temperature value supplied by the heat carrier temperature sensor is formed and can be recognized a possible success heating used.
  • This variant of the invention can also be implemented with a conventional overheating switch or the like, but has the disadvantage that the regulation of the heat carrier temperature to the desired setpoint takes place on the basis of an actual temperature signal which is not on the inlet side , but is removed on the outlet side of the heat exchanger. At this point on the water outlet side of the heat exchanger, its temperature is subject to greater fluctuations than at the end on the water inlet side. The regulation is therefore less stable and less comfortable. This disadvantage is therefore paid for by the more cost-effective design of the overheating monitoring device, which is present in any case for safety reasons.
  • a heat transfer temperature sensor and an overheating temperature sensor are present in any case if the previously common overheating switch or the overheating fuse is to be dispensed with. It was previously common to arrange the two temperature sensors at different locations on the vehicle heater.
  • the heat carrier temperature sensor required for control was arranged on the water inlet side or water outlet side of the heat exchanger, while the overheating temperature sensor was arranged at a location remote therefrom, usually at the end of the flame tube. To accommodate these temperature sensors, two receiving openings had to be formed in the outer water jacket of the heat exchanger.
  • a temperature sensor arrangement is created for simplification, which has a simple construction, in particular permits simpler assembly on the vehicle heater.
  • the invention provides that the heat carrier temperature sensor and the superheating temperature sensor are combined to form a one-piece combination sensor element.
  • This combination sensing element has the following features: a support section which is received in an opening of the outer housing of the heat exchanger,
  • the assembly of this combination sensing element is essentially as simple as the assembly of conventional temperature sensors, but in the case of the combination sensing element only a single assembly step is necessary to attach both sensors to the device. Naturally, the two sensors are in close proximity. Because the overheating temperature sensor is to sense the temperature in the area of the gas jacket, but the heat carrier temperature sensor is to measure the temperature of the heat carrier, the invention provides that the length of the heat carrier measured by the carrier section
  • Temperature sensor is less than that of the overheating temperature sensor.
  • the sensing element screwed or otherwise fastened from the outside into the housing thus keeps the heat transfer temperature sensor at some distance from the gas jacket, while the overheating temperature sensor is in direct contact with the gas jacket or at least very close to the gas jacket, so that overheating can be quickly detected by the overheating temperature sensor in the end region of the flame tube, while the heat transfer temperature sensor is not or only slightly influenced by this overheating.
  • the latter can thus be an actual
  • Deliver temperature signal which enables stable control of the temperature of the vehicle heater.
  • the two sensors can either be housed in a common housing or in separate housings.
  • the most effective countermeasure in most cases is to shut down the burner.
  • other countermeasures can also be taken in the event of impending overheating: the burner output can be reduced in order to check whether the increase in temperature at the overheating temperature sensor can be stopped or even reversed due to the reduced burner output.
  • a warning message can also be generated so that, for example, in the case of a vehicle heater, an operational malfunction is signaled to the driver acoustically or optically. The driver can then decide whether to switch the vehicle heater off manually and / or to search for the cause of the fault.
  • the countermeasures are a safety measure, the warning message is usually generated in addition to the shutdown of the burner output or the burner shutdown.
  • the burner would then be an exaggerated measure, but a reduction in the burner output has the advantage that at least emergency heating of the passenger compartment can still take place.
  • 1 is a schematic view of a vehicle heater
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of the control of the heater
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a heat transfer circuit with a vehicle heater, vehicle heat exchanger and internal combustion engine
  • FIG. 5 shows a graphical representation of various threshold values for the temperature control of the vehicle heater and for the overheating monitoring
  • FIG. 6 shows a simplified illustration of a part of a heat exchanger of the vehicle heater with the location where a combination sensing element is arranged
  • FIG. 7 shows a first variant of a temperature sensor arrangement in the form of the sensor element shown in simplified form in FIG. 6;
  • 8a and 8b are a longitudinal sectional view and a cross-sectional view of a further variant of the sensing element shown schematically in FIG. 6, and
  • FIG. 9 shows a further variant of the sensing element shown schematically in FIG. 6.
  • a flame is generated in a combustion chamber 2 adjoining a burner head 9, for which purpose combustion air is supplied to the burner head by combustion air blower 4 and fuel is fed via a fuel metering pump 6.
  • the fuel is evaporated in the burner head 9 designed here as an evaporator burner.
  • the flame spreads to the right in FIG. 1 in the area of a flame tube 8.
  • the flame tube is surrounded by a heat exchanger 10, which is a metallic double-wall housing with an inner gas jacket 7 and an outer water jacket 13.
  • water enters the heat exchanger 10 in the direction of the arrow P2 via an inlet 11 in order to leave the heat exchanger 10 in the direction of the arrow P1 via a water pump 12.
  • the heat exchanger 10 has spiral passages in which the water flowing through the heat exchanger 10 heats up through the hot gases which occur on the right side of the flame tube 8 to the inner one End face of the gas jacket 7 to exit from there between the outside of the flame tube 8 and the gas jacket 7 via an exhaust 5.
  • the functions of the individual elements of the vehicle heating device are controlled and regulated by a control device 14 having a microprocessor.
  • a control device 14 having a microprocessor.
  • a water temperature sensor 20 as the heat carrier temperature sensor, the output signal of which is sent to the control unit 14.
  • an overheating temperature sensor 22 At the right end of the heat exchanger 10 there is an overheating temperature sensor 22, the output signal of which is also given to the control unit 14.
  • the overheating temperature sensor 22 is in contact with the gas jacket 7, so that a good and quicker
  • Heat transfer takes place from the inside of the gas jacket 7 to the overheating temperature sensor 22.
  • the water temperature sensor 20 is at a certain distance from the gas jacket 7 can also be in contact with the gas jacket 7 in another embodiment.
  • the overheating temperature sensor 22 is essentially similar to the water temperature sensor 20 used for regulation. In both cases this is a PTC element.
  • the control unit 14 has a microprocessor for evaluating various signals, of which the signals from the two temperature sensors 20 and 22 are of interest here.
  • a circuit independent of the microprocessor control is also provided in the control unit 14, which, in the event of a failure of the microprocessor or in the event of a program error, may still block the fuel supply to the burner.
  • the two temperature sensors 20 and 22 send a signal "WRT” or "ÜFT" to a microprocessor 30.
  • the signal WRT on line 32 is a voltage value which corresponds to the water temperature.
  • the signal UFT on line 34 is a voltage value which corresponds to the temperature at the heat exchanger.
  • the signals on lines 32 and 34 are subjected to an analog-to-digital conversion and evaluated by microprocessor 30 according to certain criteria. Sinks e.g. the temperature at the water temperature sensor 20, i.e. the voltage of the WRT signal decreases as the temperature at the superheat temperature sensor 22 rises, i.e. while the signal voltage of the ÜFT signal increases, there is a risk of overheating. Via an output BPT (fuel pump driver), the microprocessor 30 sends driver pulses via a logic gate 40, here an AND gate 38, to one
  • Transistor driver Tr of the fuel metering pump 6 so that it is operated depending on the driver pulses at the output BPT of the microprocessor 30. In the event of possible overheating, the output signal at the BPT output is blocked.
  • the pulse duty factor of the pulses at the output BPT i.e. to a specific one
  • Pulse period related opening time of the driver transistor Tr is set by the microprocessor 30, inter alia, as a function of the temperature supplied by the water temperature sensor 20 in the form of the signal WRT.
  • the control is programmed in such a way that an intermittent signal for opening the driver transistor Tr is supplied at the output BPT until the microprocessor 30 switches off the driver transistor Tr when an upper control threshold value of the signal WRT is reached while it is switches it on when the signal WRT, which is relevant for the water temperature, drops below a lower control threshold.
  • a branch line 36 leads from line 34, which leads to a threshold switch 38, the output of which is connected to an input of AND gate 40, the other input of which is supplied with the output signal from output BPT of microprocessor 30. If the voltage on the line 34 rises above a certain value corresponding to a relatively high temperature at the overheating temperature sensor 22, the threshold switch 38 responds to this and generates a low-level signal at its output, as a result of which the AND gate 40 is blocked is, so that the output signals from the output BPT of the microprocessor 30 can not reach the driver transistor Tr. The fuel metering pump 6 is thereby stopped.
  • the overheating monitoring circuit is designed redundantly.
  • One way to stop the fuel metering pump is via the microprocessor, which compares and evaluates the two signals on lines 32 and 34.
  • the other way leads in parallel to the microprocessor 30 via the threshold switch 38.
  • Fig. 3 shows the behavior of each of the two temperature sensors 20 and 22, which are each designed as a PTC element. In a range between
  • the threshold switch 38 is set to an appropriate value.
  • the fuel supply to the burner is blocked by stopping the fuel metering pump 6.
  • the burner can continue to operate without any special manipulation.
  • a warning signal is expediently generated, which signals the user of the device that overheating has occurred on the heat exchanger. The user then has the option of checking the device and, if necessary, eliminating any faults.
  • an imminent overheating condition is also identified on the basis of the signal UFT supplied by the overheating temperature sensor 22 by means of suitable evaluation by the microprocessor 30.
  • FIG. 4 schematically shows the heater shown in FIG. 1 with burner head 9, flame tube 8 and heat exchanger 10.
  • the water temperature sensor 20 in the area of the inlet of the heat exchanger 10 and the overheating temperature sensor 22 in the end area of the flame tube are also shown schematically 8th.
  • the vehicle heater is usually integrated into the cooling circuit of the engine of the motor vehicle.
  • the in Engine 100 typically connected to the vehicle radiator, communicates with the inlet of heat exchanger 10.
  • the outlet of the heat exchanger 10 communicates with the entry of a heat exchanger (WT) 50 of the vehicle.
  • WT heat exchanger
  • the outlet of the heat exchanger 50 is connected to the engine 100 again.
  • the heat exchanger 50 is the "radiator" (s) with which, for example, the vehicle interior is heated.
  • the supply of heat to the heat exchanger 50 can be blocked or throttled via slides or valves.
  • the heat carrier here: water
  • the heat carrier is circulated with the aid of a water pump 12.
  • a bypass line BP is also shown in FIG. 4, the purpose of which is to enable the water to circulate through the heat exchanger 10 when the heat exchanger 50 is blocked.
  • the vehicle heating device is regulated in such a way that when a specific target temperature is set, the burner is switched on and off depending on the sensed water temperature. If the water temperature determined by the water temperature sensor 20 is below an upper threshold value representative of the set temperature value, the burner runs. If this threshold is exceeded, the control switches the burner off. The same applies to a lower threshold. If the heat exchanger 50 is now blocked because no heating power is required, the burner initially continues to run because and while the water temperature determined by the water temperature sensor 20 is still below the upper threshold value. The water pump 12 pumps the water through the bypass line BP through the heat exchanger 10 so that the temperature of the water slowly increases until the upper threshold is finally reached and the device is switched off.
  • bypass line BP which requires additional material and labor. If the heat exchanger of the vehicle 50 is blocked without a bypass line BP, the water in the heat exchanger 10 is practically stationary. When the burner is running, the gas jacket heats up and therefore the water in the
  • the signal UFT supplied by the overheating temperature sensor 22 is evaluated by the microprocessor 30 (FIG. 2) to form a gradient signal, i.e. the microprocessor 30 forms the quotient of temperature and time period at regular short time intervals.
  • the water temperature T is plotted against the time t in a graphic representation. Shown are upper and lower thresholds for the heater, the heater turning off when the water temperature sensed by the water temperature sensor 20 exceeds the upper threshold, while the device is turned on when the water temperature is below the lower threshold. Instead of switching it off and on, it can also be provided that the burner switches from large to small output, and vice versa.
  • An overheating threshold is also shown above the upper threshold. If the signal UFT supplied by the overheating temperature sensor 22 exceeds this threshold value, the driver transistor Tr is blocked, as shown in FIG. 2.
  • the microprocessor 30 forms a gradient signal from the signal UFT, that is to say a signal which characterizes the temperature rise of the gas jacket 7 at the end of the flame tube 8. If one now assumes that in FIG. 4 the vehicle heat exchanger (WT) 50 is blocked while the burner is still in
  • the microprocessor 30 compares this difference value with a predefined difference threshold value.
  • the measured values supplied by the two temperature sensors 20 and 22 may only deviate from one another by a certain amount if the device is operated correctly. If the deviation is greater, this means with high probability an overheating condition or an impending overheating condition.
  • the output signals of the two temperature sensors 20 and 22 can also be used for a further function: in normal operation, the measurement signals supplied by the two temperature sensors are in a certain relationship, for example the measurement signal supplied by the overheating temperature sensor 22 is always somewhat higher than that by that Water temperature sensor 20 delivered signal. If the two values differ from each other by more than a certain difference, this can mean that one of the two temperature sensors is not working properly. In this case, it is provided that at least one warning message is generated, for safety reasons there is also a lockout, so that the defective temperature sensor only must be replaced before the vehicle heater can be restarted.
  • Embodiment enables cost advantages, but is not quite as cheap in the control comfort.
  • a water temperature sensor 20 'at the water outlet of the heat exchanger 10 which replaces the temperature sensor on the water inlet side.
  • the water temperature sensor 20 'at the water outlet end of the heat exchanger 10 is in contact with the gas jacket 7, similar to the superheating temperature 22.
  • the latter can also be designed as a temperature sensor, as explained above, but it can also be simple a switch or a fuse, as was previously the case, in order to protect against possible overheating. Characterized in that the water temperature sensor 20 'is at the water outlet end of the heat exchanger 10, it provides a signal which is very dependent on the temperature conditions
  • End region of the flame tube 8 depends. If the water movement in the heat exchanger 10 comes to a standstill or almost comes to a standstill, the water temperature sensor 20 ′ which is in contact with the gas jacket 7 very quickly detects an increase in temperature.
  • the microprocessor 30 can evaluate this temperature increase of the signal WRT of the water temperature sensor 20 'in a similar manner to that which occurs with the signal UFT in the embodiment described last. This means that the microprocessor 30 forms a gradient signal dT / dt from the signal WRT supplied by the water temperature sensor 20 ′ at certain time intervals, and if so
  • the microprocessor turns off the driver transistor Tr of the fuel metering pump.
  • a certain disadvantage in this embodiment is that the regulation of the vehicle heater is based on the heat transfer medium temperature felt at the water outlet end of the heat exchanger 10. maturity takes place. This temperature value is subject to shorter-term fluctuations due to the operation of the burner, and these fluctuations lead to less stable control operation, so that the temperatures on the vehicle heat exchanger 50 are not regulated quite as uniformly as in the embodiment described above.
  • a difference value is formed from the signals supplied by the two temperature sensors 20, 22, and this difference value is Threshold value compared to detect an (impending) overheating condition.
  • This difference value formation is particularly suitable for the variant of the device mentioned above, in which the heat transfer medium temperature sensor 20 'is arranged on the water outlet side.
  • the measurement signals supplied by the temperature sensors 20 'and 22 to the microprocessor 30 are processed by the microprocessor into a difference value. This can be done at certain time intervals.
  • the difference value formed in each case is compared with a difference threshold value stored in the memory of the microprocessor 30. If the threshold value is exceeded, the fuel supply is switched off or other countermeasures are initiated.
  • the water temperature sensor 20 on the one hand and the overheating temperature sensor 22 on the other hand are spatially separated from one another, the water temperature sensor 20 being located on the water inlet side of the heat exchanger 10 with or without touching the gas jacket 10 while the Overheating temperature sensor 22 is always in contact with the gas jacket 7 at the end of the flame tube 8.
  • the two temperature sensors can be combined into a single component F, as shown in FIG. 6.
  • FIG. 6 schematically shows the (inner) gas jacket 7 and the (outer) water jacket 13 of the heat exchanger, a combination sensing element F being arranged in an opening of the water jacket 17, said sensor element being in contact with a sensing surface on the outside of the gas jacket 7, approximately in the area of the right end of the flame tube 8.
  • FIG. 7 shows a first special embodiment of the combination sensing element F according to the invention.
  • the sensing element F is seated in the outer water jacket 13 with a carrier section 110, a head 111 of the sensing element F projecting slightly beyond the outer surface of the water jacket 13.
  • Two pairs of lines (+) and (-) extend through the sensing element F to a water temperature sensor 20a and an overheating temperature sensor 22a, respectively.
  • the underside of both temperature sensors 20a, 22a is in contact with the outside of the gas jacket 7, the width of the space between which water flows
  • Coats 7 and 13 is designated 1. In this combination sensing element F, both temperature sensors 20a and 22a are in contact with the gas jacket 7.
  • FIGS. 8a and 8b show a longitudinal sectional view and a cross-sectional view of a further embodiment of a combination sensing element.
  • the combination sensing element according to FIGS. 8a, 8b differs from the sensing element according to FIG. 7 in that the overheating temperature sensor 20b is at a different height than the water temperature sensor 20b.
  • the end face of the overheating temperature sensor 22b can thus bear against the outside of the gas jacket 7, while the water temperature sensor 20b has no contact with the gas jacket.
  • the two temperature sensors 20b, 22b are separated on a partition 113. Both temperature sensors are accommodated in a common, graduated housing 112.
  • Fig. 9 shows a similar embodiment as Fig. 8a, 8b, wherein in
  • Housing 112a are housed.
  • the overheating temperature sensor 22c is longer than the water temperature sensor and can therefore be in contact with the gas jacket 7.
  • the above-described embodiments can each be implemented individually in a vehicle heater, but that several useful combinations are also possible.
  • the redundant circuit shown in FIG. 2 can be provided with the threshold switch 38 in practically all of the described embodiments, so that the shutdown of the burner depends not only on the operation of the microprocessor 30 but also on the redundant circuit branch. This increases security.
  • the combination sensing element shown in FIGS. 7 to 9 can basically be used in all of the vehicle heaters described above 8a, b and 9 are particularly advantageous because the overheating temperature sensor is in contact with the gas jacket, but the water temperature sensor is not.
  • PTC elements are used as temperature sensors. Instead of these PTC elements, however, NTC elements can also be used.
  • NTC elements can also be used.
  • the above-mentioned fault shutdown of the burner by blocking the fuel supply to the burner it may be sufficient in certain cases if the burner is not stopped, but only the burner output is reduced. This can be useful, for example, if the heat carrier circulation is hindered, for example, by a kinked pipe or the like.
  • a warning message should expediently be generated in the event of the overheating monitoring device responding, so that the user is informed by an optical or acoustic signal generator that the vehicle heater is not working properly.

Abstract

Bei einem Fahrzeugheizgerät wird ein Überhitzungszustand von einem Überhitzungs-Temperaturfühler mit Hilfe eines Mikroprozessors (30) ermittelt. Der Überhitzungs-Temperaturfühler liefert ein Signal (ÜFT) an den Mikroprozessor, und wenn das Signal (ÜFT) einen Schwellenwert übersteigt, sperrt der Mikroprozessor die Zufuhr von Treibersignalen zu einem Treibertransistor (Tr) für die Brennstoffdosierpumpe (6). Als redundante Abschaltvorrichtung dient ein zu dem Mikroprozessor (30) parallel geschalteter Stromkreis (36) mit einem Schwellenwertschalter (38), dessen Ausgangssignal auf ein UND-Gatter (40) gelegt ist, dessen Ausgang mit der Basis des Treibertransistors (Tr) verbunden ist, und dessen anderem Eingang die Treibersignale von dem Mikroprozessor (30) zugeführt werden. Übersteigt das Signal ÜFT den Schwellenwert des Schwellenwertschalters (38), so sperrt das UND-Gatter (40) jegliche Zufuhr von Signalen aus dem Mikroprozessor (30) zu dem Treibertransistor (Tr), so daß die Brennstoffdosierpumpe (6) stillgesetzt wird. Eine drohende Überhitzung wird dadurch festgestellt, daß das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferte Signal einen Überhitzungs-Temperaturschwellenwert übersteigt. Bevorzugt wird von dem Mikroprozessor ein Differenzwert aus dem von dem Überhitzungs-Temperaturfühler und dem von einem Wärmeträger-Temperaturfühler gelieferten Ausgangssignal gebildet, und dieser Differenzwert wird mit einem Differenz-Schwellenwert verglichen, um die Brennstoffdosierpumpe stillzusetzen, wenn der gebildete Differenzwert den Differenz-Schwellenwert überschreitet. Anstatt die Brennstoffdosierpumpe stillzusetzen, kann es auch ausreichen, die Brennerleistung herunterzufahren, um die Gefahr einer möglichen Überhitzung abzuwenden.

Description

Fahrzeugheizgerät mit Überhitzungs-Überwachungseinrichtung
Die Erfindung betrifft ein Falirzeugheizgerät, mit einem Verbrennungs¬ luftgebläse und einer Brennstoffdosiereinrichtung, die Verbrennungsluft und Brennstoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr eine Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher, der über einen Gasmantel von dem das Flammrohr aufnehmenden Raum getrennt ist, und durch den ein Wärmeträger, z.B. Wasser, gepumpt wird, einem Wärmeträger- Temperaturfühler, der die Wärme trägertemperatur mißt, einem Steuergerät, welches den Betrieb des Fahrzeugheizgeräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen Wärmeträgertemperatur regelt, und einer Überhitzungs-Überwachungseinrichtung, die auf eine drohende
Überhitzung am Wärmetauscher anspricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Derartige Fahrzeugheizgeräte, häufig auch als Standheizung oder Zusatz¬ heizung bezeichnet, finden in Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, - Omnibusen, Motoryachten, Kleinflugzeugen, Wohnwagen, Baumaschi¬ nen und dergleichen Anwendung. Als Brennstoff dient Benzin oder Diesel, welches dem Kraftstoffvorrat des Fahrzeugs oder einem Zusatz- tank entnommen wird. Als Wärmeträger dient üblicherweise Wasser, welches von einer Wasserpumpe durch den Wärmetauscher und einen Heizkreislauf gepumpt wird, um einem oder mehreren Heizkörpern (Fahrzeug-Wärmetauschern) Wärmeenergie zuzuführen. Man kann auch Luft als Wäπneträger verwenden.
Bei diesen Fahrzeugheizgeräten dient der Wärmeträger-Temperaturfühler als Meßwertaufnehmer zum Ermitteln der Ist-Temperatur des Wärme¬ trägers, welche in dem Steuergerät mit einer Solltemperatur verglichen wird, um den Betrieb des Fahrzeugheizgeräts zu regeln. Das üblicher¬ weise mit einem Mikroprozessor ausgestattete Steuergerät regelt die Wärmeträgertemperatur auf einen konstanten Wert ein, indem es den Brenner ein- und ausschaltet. Dies geschieht durch Ein- und Ausschalten der üblicherweise als Brennstoffdosierpumpe ausgebildeten Brennstoff¬ dosiereinrichtung und des Verbrennungsluftgebläses, und/oder durch eine solche Ansteuerung der Brennstoffdosierpumpe, daß eine bestimmte Brennerleistung erreicht wird.
Aus Sicherheitsgründen besitzen diese Fahrzeugheizgeräte eine Über- hitzungs-Überwachungseinrichtung, die abhängig von der Temperatur am Wärmetauscher arbeitet.
Aus der DE 30 31 410 ist ein Fahrzeugheizgerät bekannt, bei dem das
Steuergerät einen Mikroprozessor enthält, der neben einem Steuerpro¬ gramm auch Parameter und Schwellenwerte für die Regelung speichert. Die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung ist dort derart ausgebildet, daß der Mikroprozessor ein Signal von einem Überhitzungssensor em- pfängt, um dieses Signal mit einem Überhitzungs-Schwellenwert zu vergleichen. Wo der Überhitzungs-Sensor angebracht ist und wie er ausgebildet ist, ist in der Druckschrift nicht gesagt.
Früher war es üblich, die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung als Schalter oder Schmelzsicherung auszubilden. Die Schmelzsicherung bzw. der Schalter spricht auf eine erhöhte Wärmetauschertemperatur im Be¬ reich des hinteren Endes des Flammrohrs an, um gegebenenfalls den Stromkreis für die Brennstoffdosierpumpe zu unterbrechen. Nachteile derartiger Überwachungseinrichtungen sind darin zu sehen, daß die Schmelzsicherung gegebenenfalls ausgetauscht werden bzw. der Schalter zurückgestellt werden muß. Dies ist mühsam. Vermieden werden diese Nachteile durch die oben angegebene Maßnahme, einen Sensor vorzuse¬ hen, um dessen Ausgangssignal mit einem Schwellenwert zu verglei¬ chen.
Wird ein Fahrzeugheizgerät in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem PKW, installiert, so wird das Gerät in den Kühl-/Heiz-Wasser- kreislauf des Fahrzeugs integriert. Zu dem Fahrzeugheizgerät ist eine Bypass-Leitung gelegt, um bei abgeschaltetem Fahrzeug-Wärmetauscher (Heizkörper), also dann, wenn keine Wärmeabnahme erfolgt, ein Zirku¬ lieren des Wärmeträgers in dem Wärmetauscher des Fahrzeugheizgeräts zu gewährleisten. Die Wassereintrittstemperatur entspricht dann nahezu der Wasseraustrittstemperatur am Fahrzeugheizgerät. Wenn der Brenner in Betrieb ist, steigt diese Temperatur relativ schnell an, so daß bei dem kurze Zeit später erfolgenden Überschreiten eines für den Regelbetrieb eingerichteten Schwellenwerts eine Abschaltung des Heizgeräts erfolgt.
Will man - aus Kostengründen - auf die Bypass-Leitung verzichten, so geht, wenn keine Wärmeabfuhr aus dem Wärmeträger-Kreislauf erfolgt, weil z.B. die Fahrzeugheizung abgeschaltet ist, der Wärmeträger- durchsatz im Heizgerät praktisch auf Null zurück. In dieser Situation steigt die Temperatur in dem im Wärmetauscher des Fahrzeugheizgeräts befindlichen Wärmeträger rasch an, außerdem steigt die Temperatur an dem den Brennerraum im Bereich des Flammrohrs umgebenden Gas¬ mantel relativ schnell an.
Dieses extrem schnelle Ansteigen der Temperatur am Gasmantel muß zur Vermeidung einer gefährlichen Überhitzung auf jeden Fall vermie¬ den werden. Deshalb ist es notwendig, die Gefahr einer solchen Über¬ hitzung möglichst früh zu erkennen, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugheizgerät der oben genannten Art anzugeben, bei dem insbesondere bei geringem Wärmeträgerdurchsatz im Wärmetauscher eine Überhitzung mit Sicher- heit ausgeschlossen wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung alternativ verschiedene Möglichkeiten vor, wobei einerseits eine "Früherkennung" eines mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erwartenden Überhitzungszustands realisiert wird, andererseits durch ein redundantes System die Sicherheit einer rechtzeitigen Abschaltung des Geräts bei Gefahr einer Überhitzung erreicht wird. Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung wird ein Temperaturfühler geschaffen, der sich für den Einsatz in einem Fahr¬ zeugheizgerät der hier in Rede stehenden Art besonders gut eignet. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Überhitzungs-Über- wachungseinrichtung mit einem Überhitzungs-Temperaturfühler ausgestattet, von welchem ein Signal abgeleitet wird, das bei Überschrei¬ tung eines Schwellenwerts das Zustandekommen eines Überhitzungs- zustands bedeutet, zu dessen Verhinderung der Überhitzungs-Tempera¬ turfühler in der Nähe des Flammrohrendes in Berührung mit dem Gas¬ mantel des Wärmetauschers des Fahrzeugheizgeräts angeordnet ist, wobei das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des Überhitzungs-Tempe- raturfühlers ein Gradientensignal erzeugt, welches mit dem Schwellen- wert verglichen wird, oder das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des
Überhitzungs-Temperaturfühlers und dem Ausgangssignal des Wärmeträger-Temperaturfühlers einen Differenzwert bildet, um diesen Differenzwert mit einem Differenz-Schwellenwert zu vergleichen. Diese beiden Maßnahmen, also entweder die Verwendung eines Gradienten- Schwellenwerts oder die Verwendung eines Differenz-Schwellenwerts, können auch kombiniert werden, wobei der Fall einer Überhitzung dann angenommen wird, wenn eine der beiden Schwellenwerte überschritten wird.
Wenn man - wie oben ausgeführt - bei einem Fahrzeugheizgerät auf die früher übliche Bypass-Leitung verzichtet, also die Gefahr besteht, daß der Wärmeträger-Durchsatz bei abgeschaltetem Fahrzeug-Wärmetauscher gegen Null tendiert, so wird von dem erfindungsgemäß angeordneten Überhitzungs-Temperaturfühler an das Steuergerät ein Signal geliefert, aus dem das Steuergerät ein Gradientensignal (zeitliche Ableitung der
Temperatur nach der Zeit) bilden kann. Hat dieser Temperaturgradient einen einen Gradienten-Schwellenwert überschreitenden Wert, so signalisiert dies, daß sich die Temperatur am Wärmetauscher so schnell erhöht, daß mit einer alsbaldigen Überhitzung zu rechnen ist. Wird der Gradienten-Schwellenwert überschritten, erfolgt z.B. die Abschaltung des Heizgeräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr. Erfindungsgemäß spricht der Überhitzungs-Temperaturfühler also nicht erst auf das Erreichen eines Absolut-Schwellenwerts an, sondern spricht auf die Geschwindigkeit an, mit der sich die Temperatur am Wärmetauscher ändert. Dies entspricht dem Früherkennen einer Temperaturände- rungstendenz. Eine Überhitzung wird also im Fall eines Wärmeträger- Stillstands im Heizgerät zuverlässig verhindert.
Besonders vorteilhaft ist diese Früherkennung dann, wenn erflndungs- gemäß der Wärmeträger-Temperaturfühler - wie auch im Stand der
Technik an sich bekannt - in der Nähe des Wärmeträgereintritts, d.h. bei einem Gerät mit Wasser als Wärmeträger, wassereintrittsseitig bezüglich des Wärmetauschers des Fahrzeugheizgeräts angeordnet ist. Dadurch, daß der für die Regelung zuständige Wärmeträger-Temperaturfühler wassereintrittsseitig am Wärmetauscher angeordnet ist, ist eine kom¬ fortable Regelung der gewünschten, durch das Fahrzeugheizgerät bereit¬ gestellten Temperatur möglich. Die wassereintrittsseitige Temperatur im Wärmetauscher ist deutlich besser repräsentativ für die Verhältnisse am fahrzeugsseitigen Wärmetauscher (Heizkörper) als die Temperatur am Wasseraustrittsende des Fahrzeugheizgerät- Wärmetauschers. Die Rege¬ lung ist folglich stabiler.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Überhitzungs-Überwa- chungseinrichtung in der oben beschriebenen Form besteht außerdem die Möglichkeit, daß das Steuergerät die Funktion des Wärmetemperatur-
Temperaturfühlers einerseits und die Funktion des Überhitzungs-Tempe- raturfühlers andererseits überwacht, indem erfindungsgemäß der von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gelieferte Temperaturwert mit dem von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert verglichen wird, um bei Feststellen einer Überschreitung eines vorgege¬ benen Differenzbetrags z.B. eine Störabschaltung zu veranlassen. Diese Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der beiden Temperaturfühler wird vorzugsweise im Normalbetrieb durchgeführt, d.h. bei zirkulierendem Wärmeträger. In diesem Fall ist die Differenz zwischen dem von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert und dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert in rela¬ tiv engen Grenzen konstant, wobei der von dem Überhitzungs-Tempera¬ turfühler gelieferte Wert etwas höher liegt als der andere Wert. Ergibt sich nun eine extrem starke Abweichung zwischen diesen beiden Werten (der vom Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferte Wert ist z.B. sehr viel höher oder sehr viel niedriger als der vom Wärmeträger-Tempera- turfühler gelieferte Wert), so bedeutet dies, daß einer der beiden Tempe¬ raturfühler defekt ist, oder daß ein Überhitzungsfall vorliegt oder kurz bevorsteht, z.B. aufgrund fehlenden Wassers oder behinderten Wasserdurchsatzes. Aus Sicherheitsgründen erfolgt dann eine Stör- abschaltung.
Die Auswertung des von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Werts erfolgt in dem Steuergerät. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß zusätzlich oder redundant bezüglich der Auswertung des Überhitzungstemperaturfühler-Ausgangssignals in dem Steuergerät eine direkte Abschaltung des Brenners durch das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler kommende Signal erfolgt. Hierzu sieht die Erfindung vor, daß das Steuergerät einen Mikroprozessor ent¬ hält, dem die Meßsignale von dem Wärmeträger-Temperaturfühler und dem Überhitzungs-Temperaturfühler zur Auswertung zugeführt werden, und daß parallel zu dem Mikroprozessor ein einen Schwellenwertschalter enthaltender Stromkreis liegt, wobei das Ausgangssignal des Schwellen¬ wertschalters die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner sperrt oder zur Einleitung anderer Gegenmaßnahmen genutzt wird.
Durch obige Maßnahme wird eine wesentlich erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber der bloßen Auswertung des von dem Überhitzungs-Tempera¬ turfühler kommenden Signals durch das Steuergerät erreicht. Dadurch, daß der Schwellenwertschalter parallel zu dem die Auswertung des Signals von dem Überhitzungs-Temperaturfühler vornehmenden Mikro¬ prozessors geschaltet ist, ist eine erhöhte Sicherheit deshalb gegeben, weil die Abschaltung des Geräts entweder aufgrund der Auswertung der Signale durch den Mikroprozessor oder durch den Schwellenwertschalter stattfindet.
Insbesondere kann der Mikroprozessor einen Überhitzungszustand daran erkennen, ob sich die beiden Temperaturwerte gleichsinnig ändern, ob ein Mindesttemperaturabstand beider Fühler gegeben ist, und ob der Wärmeträger-Temperaturfühler nicht einen höheren Temperaturwert liefert als der Überhitzungs-Temperaturfühler. Wie oben erläutert, kann man die von dem Wärmeträger- Temperaturfühler und die von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Meßsignale zu einem Gradientensignal auswerten. Diese Auswertung erfolgt in dem Mikroprozessor. Anstatt nun ein Gradientensignal zu bilden und dieses mit einem Gradienten-
Schwellenwert zu vergleichen, kann der Mikroprozessor in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus den beiden Meßsignalen einen Differenzwert bilden, um diesen Differenzwert mit einem Differenz-Schwellenwert zu vergleichen. Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, daß die von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gemessene
Temperatur im Normalbetrieb nicht allzu stark von der Temperatur abweicht, die am Überhitzungs-Temperaturfühler gemessen wird. Insbesondere dann, wenn der Wärme träger-Temperaturfühler am Wasseraustrittsstutzen angeordnet ist, was unten noch näher erläutert wird, ist der Vergleich der Differenz zwischen den von den beiden
Temperaturfühlern gelieferten Meßwerten mit einem Differenz- Schwellenwert besonders effektiv. Weichen die beiden Signale um mehr als den Differenz-Schwellenwert voneinander ab, so bedeutet dies mit einiger Wahrscheinlichkeit, daß eine Überhitzung vorliegt oder kurz bevorsteht.
Wie oben erwähnt, kann durch einen Vergleich der von den beiden Temperaturfühlern gelieferten Meßwerte auch eine Funktionsprüfung der Temperaturfühler vorgenommen werden, wichtiger ist jedoch das Erkennen eines Überhitzungszustands auf Grund einer Überschreitung des Differenz-Schwellenwerts.
In einer speziellen schaltungstechnischen Variante sieht die Erfindung vor, daß für die Brennstoffdosiereinrichtung eine Treiberschaltung vor- gesehen ist, der von dem Steuergerät Treiberimpulse für den getakteten
Betrieb der Brennstoffdosiereinrichtung zugeführt werden, und daß der Ausgang des Schwellenwertschalters mit einem Eingang eines logischen Verknüpfungsglieds verbunden ist, dessen anderem Eingang die Treiber¬ impulse zugeführt werden. Sobald der Schwellenwertschalter auf ein einen bestimmten Wert übersteigendes Temperatursignal von dem Über¬ hitzungs-Temperaturfühler anspricht, wird das Verknüpfungsglied ge- sperrt, so daß keine Zufuhr von Treiberimpulsen zu der Brennstoffdo- siereinrichtung erfolgt.
Zweckmäßigerweise werden die Temperaturfühler als PTC -Elemente oder NTC-Elemente ausgebildet, d.h. als Elemente, die einen positiven bzw. negativen Temperaturkoeffizienten besitzen. Diese Elemente erhöhen bzw. verringern ihren elektrischen Widerstand bei zunehmender
Temperatur.
Die Anordnung des Wärmeträger-Temperaturfühlers an der Wasserein¬ trittsseite des Wärmetauschers ermöglicht eine komfortable und stabile Regelung, wie oben näher erläutert ist. Zum frühzeitigen Erkennen einer möglichen Überhitzung wird die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung in der oben beschriebenen Weise ausgebildet. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist nun vorgesehen, daß auf eine derart komforta¬ ble Überhitzungs-Überwachungseinrichtung in Verbindung mit einem Überhitzungs-Temperaturfühler verzichtet werden kann. Die Ausfüh¬ rungsform nach diesem dritten Aspekt der Erfindung kann zwar auch die Ausgestaltung der Überhitzungs-Überwachungseinrichtung in der oben beschriebenen Art beinhalten, in einer zwar nicht ganz so günstigen, aber dafür billigeren Ausgestaltung wird dabei jedoch die Gefahr einer möglichen Überhitzung bei nicht-zirkulierendem Wärmeträger (welcher Zustand speziell bei fehlender Bypass-Leitung auftreten kann, wie oben erläutert wurde) dadurch ausgeschlossen, daß der Wärmeträger- Temperaturfühler auf der Wärmeträger- Auslaßseite des Wärmetauschers, speziell der Wasseraustrittsseite angeordnet ist und das Steuergerät den von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gemessenen Temperaturwert zu einem Gradientensignal auswertet, das mit einem Gradienten- Schwellenwert verglichen wird, um das Gerät bei einem zu raschen Temperaturanstieg abzuschalten.
Während bei dem oben erläuterten ersten Aspekt der Erfindung der Temperaturgradient des von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelie¬ ferten Signals ermittelt wird, wird gemäß dem dritten Aspekt der Erfin- düng der Gradient des von dem Wärmeträger-Temperaturf hler geliefer¬ ten Temperaturwerts gebildet und zum Erkennen einer möglichen Er- hitzung herangezogen. Diese Variante der Erfindung kann auch mit einem konventionellen Überhitzungs-Schalter oder dergleichen realisiert werden, hat dabei aber den Nachteil, daß die Regelung der Wärme¬ träger-Temperatur auf den gewünschten Sollwert auf der Grundlage eines Ist-Temperatursignals erfolgt, welches nicht an der Eintrittsseite, sondern an der Austrittsseite des Wärmetauschers abgenommen wird. An dieser wasseraustrittsseitigen Stelle des Wärmetauschers ist dessen Tem¬ peratur stärkeren Schwankungen unterworfen als am wassereintrittsseiti- gen Ende. Deshalb ist die Regelung weniger stabil und weniger kom- fortabel. Dieser Nachteil wird also durch die kostengünstigere Ausfüh¬ rung der - aus Sicherheitsgründen auf jeden Fall vorhandenen - Über- hitzungs-Überwachungseinrichtung erkauft.
Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, sind auf jeden Fall ein Wärmeträger-Temperaturfühler und ein Überhitzungs-Temperaturfühler vorhanden, wenn auf den früher üblichen Überhitzungs-Schalter oder die Überhitzungs-Schmelzsicherung verzichtet werden soll. Bislang war es üblich, die beiden Temperaturfühler an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugheizgeräts anzuordnen. Dabei wurde der zur Regelung benötigte Wärmeträger-Temperaturfühler an der Wassereintrittsseite oder Wasser¬ austrittsseite des Wärmetauschers angeordnet, während der Über¬ hitzungs-Temperaturfühler an einer davon entfernten Stelle, in der Regel am Ende des Flammrohrs, angeordnet wurde. Zur Anbringung dieser Temperaturfühler mußten in dem äußeren Wassermantel des Wärme- tauschers zwei Aufnahmeöffnungen ausgebildet werden.
In einem speziellen, vierten Aspekt der Erfindung wird zur Vereinfa¬ chung eine Temperaturfühleranordnung geschaffen, die eine einfache Konstruktion besitzt insbesondere eine einfachere Montage an dem Fahr- zeugheizgerät zuläßt.
Hierzu sieht die Erfindung vor, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler und der Überhitzungs-Temperaturfühler zu einem einteiligen Kombina- tions-Fühlelement zusammengefaßt sind.
Dieses Kombinations-Fühlelement weist folgende Merkmale auf: - einen Trägerabschnitt, der in einer Öffnung des Außengehäuses des Wärmetauschers aufgenommen wird,
- einen sich an einem Ende des Trägerabschnitts anschließenden
Wärmeträger-Temperaturfühler, und
- einen sich an dem selben Ende des Trägerabschnitts neben dem Wärmeträger-Temperaturfühler anschließenden Überhitzungs- Temperaturfühler.
Die Montage dieses Kombinations-Fühlelements ist im wesentlichen so einfach wie die Montage früher üblicher Temperaturfühler, wobei aber im Fall des Kombinations-Fühlelements nur ein einzelner Montageschritt notwendig ist, um beide Fühler an dem Gerät anzubringen. Naturgemäß befinden sich die beiden Fühler in enger Nachbarschaft. Weil der Überhitzungs-Temperaturfühler die Temperatur im Bereich des Gasmantels fühlen soll, der Wärmeträger-Temperaturfühler aber die Temperatur des Wärmeträgers erfassen soll, sieht die Erfindung vor, daß die von dem Trägerabschnitt ausgemessene Länge des Wärmeträger-
Temperaturfühlers geringer ist als diejenige des Überhitzungs- Temperaturfühlers. Das von außen in das Gehäuse eingeschraubte oder anderweitig befestigte Fühlelement hält somit den Wärmeträger- Temperaturfühler in einigem Abstand von dem Gasmantel, während der Überhitzungs-Temperaturfühler in direktem Kontakt mit dem Gasmantel oder zumindest in sehr großer Nähe zu dem Gasmantel steht, so daß eine Überhitzung im Endbereich des Flammrohrs von dem Überhitzungs-Temperaturfühler schnell erfaßt werden kann, während von dieser Überhitzung der Wärmeträger-Temperaturfühler nicht oder nur wenig beeinflußt wird. Damit kann letzterer ein Ist- Wärmeträger-
Temperatursignal liefern, welches eine stabile Regelung der Temperatur des Fahrzeugheizgeräts ermöglicht. Die beiden Fühler können entweder in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen untergebracht sein. Im Fall einer drohenden Überhitzung besteht die in den meisten Fällen wirksamste Gegenmaßnahme in der Abschaltung des Brenners. Alternativ und zusätzlich können aber auch noch andere Gegenmaßnahmen im Fall einer drohenden Überhitzung ergriffen werden: Man kann die Brennerleistung herunterfahren, um dann zu überprüfen, ob sich aufgrund der verringerten Brennerleistung der Temperturanstieg am Überhitzungs-Temperaturfühler stoppen oder gar rückgängig machen läßt. Man kann auch eine Warnmeldung erzeugen, so daß zum Beispiel im Fall einer Fahrzeugheizung dem Fahrer akustisch oder optisch eine Betriebsstörung signalisiert wird. Der Fahrer kann dann entscheiden, ob er das Fahrzeugheizgerät von Hand ausschaltet und/oder nach der Ursache der Störung sucht. Da es sich jedoch bei den Gegenmaßnahmen um eine Sicherheitsmaßnahme handelt, wird die Warnmeldung in aller Regel zusätzlich zu dem Herunterfahren der Brennerleistung bzw. zu der Störabschaltung des Brenners erzeugt.
Ist zum Beispiel die Zirkulation des Wärmeträgers durch teilweises Verstopfen oder Knicken einer Leitung behindert, so erhöht sich die Temperatur am Wärmetauscher relativ schnell. Dennoch kann möglicherweise das Fahrzeugheizgerät weiter genutzt werden, wenn auch nur mit verminderter Leistung. Eine vollständige Abschaltung des
Brenners wäre dann eine übertriebene Maßnahme, eine Verringerung der Brennerleistung hat demgegenüber den Vorteil, daß zumindest noch eine Notbeheizung des Fahrgastraums stattfinden kann.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugheizgeräts,
Fig. 2 eine Schaltungsskizze der Steuerung des Heizgeräts mit
Überhitzungs-Überwachungseinrichtung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Widerstands in Abhängigkeit der Temperatur bei einem PTC-Element,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wärmeträger-Kreis¬ laufs mit Fahrzeugheizgerät, Fahrzeug- Wärmetauscher und Verbrennungsmotor;
Fig. 5 eine grafische Darstellung verschiedener Schwellenwerte für die Temperaturregelung des Fahrzeugheizgeräts und für die Überhitzungsüberwachung;
Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Wärme¬ tauschers des Fahrzeugheizgeräts mit der Stelle, wo ein Kombinations-Fühlelement angeordnet ist,
Fig. 7 eine erste Variante einer Temperaturfühleranordnung in Form des in Fig. 6 vereinfacht dargestellten Fühlerele¬ ments;
Fig. 8a und 8b eine Längsschnittansicht bzw. eine Querschnitts¬ ansicht einer weiteren Variante des in Fig. 6 schematisch dargestellten Fühlelements, und
Fig. 9 eine weitere Variante des schematisch in Fig. 6 dargestell¬ ten Fühlelements.
In Fig. 1 ist ein Fahrzeugheizgerät dargestellt, dessen Hauptmerkmale bekannt sind. In einer an einen Brennerkopf 9 anschließenden Brennkammer 2 wird eine Flamme erzeugt, wozu dem Brennerkopf von einem Verbrennungs¬ luftgebläse 4 Verbrennungsluft und über eine Brennstoffdosierpumpe 6 Brennstoff zugeführt wird. Der Brennstoff wird in dem hier als Ver¬ dampferbrenner ausgebildeten Brennerkopf 9 verdampft. Die Flamme breitet sich in Fig. 1 nach rechts im Bereich eines Flammrohr 8 aus. Das Flammrohr ist von einem Wärmetauscher 10 umgeben, bei dem es sich um ein metallisches Doppelwandgehäuse mit einem inneren Gas- mantel 7 und einem äußeren Wassermantel 13 handelt.
Als Wärmeträger gelangt Wasser in Pfeilrichtung P2 über einen Einlaß 11 in den Wärmetauscher 10, um den Wärmetauscher 10 über eine Wasserpumpe 12 in Pfeilrichtung Pl zu verlassen. Zwischen dem Gas- mantel 7 und dem Wassermantel 13 besitzt der Wärmetauscher 10 spi¬ ralförmige Gänge, in denen sich das durch den Wärmetauscher 10 strö¬ mende Wasser durch die heißen Gase erwärmt, welche auf der rechten Seite des Flammrohrs 8 auftreten, auf die innere Stirnfläche des Gas¬ mantels 7 gelangen, um von dort zwischen der Außenseite des Flamm- rohrs 8 und dem Gasmantel 7 über einen Auspuff 5 auszutreten.
Die Funktionen der einzelnen Elemente des Fahrzeugheizgeräts werden von einem einen Mikroprozessor aufweisenden Steuergerät 14 gesteuert und geregelt. In der Nähe des Einlasses 11 befindet sich als Wärme- träger-Temperaturfühler ein Wassertemperaturfühler 20, dessen Aus¬ gangssignal auf das Steuergerät 14 gegeben wird. Am rechten Ende des Wärmetauschers 10 befindet sich ein Überhitzungs-Temperaturfühler 22, dessen Ausgangssignal ebenfalls auf das Steuergerät 14 gegeben wird. Im vorliegenden Fall befindet sich der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 in Berührung mit dem Gasmantel 7, so daß ein guter und rascher
Wärmeübergang von der Innenseite des Gasmantels 7 zu dem Über¬ hitzungs-Temperaturfühler 22 erfolgt.
Der Wassertemperaturfühler 20 befindet sich in einer Ausführungsform der Erfindung in einem gewissen Abstand von dem Gasmantel 7, er kann aber in einer anderen Ausführungsform auch mit dem Gasmantel 7 in Berührung stehen.
Der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ist im wesentlichen ähnlich wie der zur Regelung dienende Wassertemperaturfühler 20 ausgebildet. In beiden Fällen handelt es sich hier um ein PTC-Element.
Das Steuergerät 14 besitzt einen Mikroprozessor zur Auswertung ver¬ schiedener Signale, von denen hier die Signale von den beiden Tempera- turfühlern 20 und 22 interessieren. Außerdem ist in dem Steuergerät 14 noch eine von der Mikroprozessorsteuerung unabhängige Schaltung vorgesehen, die im Fall eines Ausfalls des Mikroprozessors oder im Falle eines Programmfehlers gegebenenfalls dennoch eine Sperrung der Brennstoffzufuhr zu dem Brenner gewährleistet. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, geben die beiden Temperaturfühler 20 und 22 an einen Mikropro¬ zessor 30 ein Signal "WRT" bzw. "ÜFT". Bei dem Signal WRT auf der Leitung 32 handelt es sich um einen Spannungswert, welcher der Wassertemperatur entspricht. Bei dem Signal ÜFT auf der Leitung 34 handelt es sich um einen Spannungswert, welcher der Temperatur am Wärmetauscher entspricht.
Die Signale auf den Leitungen 32 und 34 werden einer Analog-Digi- talumsetzung unterzogen und von dem Mikroprozessor 30 nach bestimm¬ ten Kriterien ausgewertet. Sinkt z.B. die Temperatur an dem Wasser- Temperaturfühler 20, d.h. nimmt die Spannung des Signals WRT ab, während die Temperatur am Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ansteigt, d.h. während die Signalspannung des Signals ÜFT ansteigt, so droht ein Üb e rh itzung s zu s tand . Üb e r e ine n Au s g ang BPT (Brennstoffpumpentreiber) gibt der Mikroprozessor 30 Treiberimpulse über ein Verknüpfungsgatter 40, hier ein UND-Glied 38, an einen
Transistor-Treiber Tr der Brennstoffdosierpumpe 6, so daß diese abhängig von den Treiberimpulsen am Ausgang BPT des Mikroprozessors 30 betrieben wird. Im Fall der möglichen Überhitzung wird das Ausgangssignal am Ausgang BPT gesperrt. Das Tastverhältnis der Impulse am Ausgang BPT, d.h. die auf eine bestimmte
Impulsperiodendauer bezogene Öffnungszeit des Treiber-Transistor Tr wird von dem Mikroprozessor 30 unter anderem in Abhängigkeit von der von dem Wassertemperaturfühler 20 in Form des Signals WRT gelieferten Temperatur eingestellt. Die Regelung ist derart pro¬ grammiert, daß am Ausgang BPT ein intermittierendes Signal zum Öffnen des Treiber-Transistors Tr geliefert wird, bis der Mikropro¬ zessor 30 bei Erreichen eines oberen Regel-Schwellenwerts des Signals WRT den Treiber-Transistor Tr ausschaltet, während er ihn einschaltet, wenn das für die Wassertemperatur maßgebliche Signal WRT unter einen unteren Regel-Schwellenwert absinkt.
Es könnte nun sein, daß ein Softwarefehler den oben geschilderten Vor¬ gang des Sperrens des Ausgangssignals am Ausgang BPT des Mikro¬ prozessors 30 verhindert, sowohl im normalen Regelbetrieb, d.h., wenn bei Erreichen des oberen Regel-Schwellenwerts die Brennstoffzufuhr gesperrt wird, als auch im Fall einer drohenden Überhitzung. Dies kann durch eine Störung im Mikroprozessor 30 bedingt sein, aber auch durch einen Programmfehler. In diesem Fall ist aber hier dennoch gewährleistet, daß vor einer schädlichen Überhitzung des Fahrzeugheizgeräts die Brennstoffdosierpumpe 6 stillgesetzt wird.
Von der Leitung 34 geht eine Zweigleitung 36 ab, die zu einem Schwellenwertschalter 38 führt, dessen Ausgang mit einem Eingang des UND-Glieds 40 verbunden ist, dessen anderem Eingang das Ausgangs¬ signal vom Ausgang BPT des Mikroprozessors 30 zugeführt wird. Wenn die Spannung auf der Leitung 34 über einen bestimmten Wert entspre¬ chend einer relativ hohen Temperatur am Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ansteigt, so spricht der Schwellenwertschalter 38 hierauf an und erzeugt an seinem Ausgang ein Signal mit niedrigem Pegel, wodurch das UND-Gatter 40 gesperrt wird, so daß die Ausgangssignale vom Ausgang BPT des Mikroprozessors 30 nicht an den Treibertransistor Tr gelangen können. Die Brennstoffdosierpumpe 6 wird hierdurch stillgesetzt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Überhitzungs-Überwachungsschal- tung redundant ausgelegt. Der eine Weg zum Stillsetzen der Brennstoff- dosierpumpe führt über den Mikroprozessor, welcher die beiden Signale auf den Leitungen 32 und 34 vergleicht und auswertet. Der andere Weg führt parallel zu dem Mikroprozessor 30 über den Schwellenwertschalter 38.
Fig. 3 zeigt das Verhalten jedes der beiden Temperaturfühler 20 und 22, die jeweils als PTC-Element ausgeführt sind. In einem Bereich zwischen
30° und 80 °C ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der erfaßten Temperatur und dem Widerstand des PTC-Elements. Der Schwellenwertschalter 38 wird auf einen geeigneten Wert eingestellt.
Nachdem der Zustand der Überhitzung festgestellt ist, wird die Brenn¬ stoffzufuhr zu dem Brenner durch Stoppen der Brennstoffdosierpumpe 6 gesperrt. Wenn der Überhitzungszustand nicht mehr vorliegt, kann der Betrieb des Brenners fortgesetzt werden, ohne daß irgendeine besondere Manipulation erforderlich ist. Zweckmäßigerweise wird im Fall einer Überhitzung ein Warnsignal erzeugt, welches dem Benutzer des Geräts signalisiert, daß eine Uberhitzung am Wärmetauscher stattgefunden hat. Der Benutzer hat dann die Möglichkeit, das Gerät zu überprüfen und gegebenenfalls etwaige Störungen zu beseitigen.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung er¬ läutert. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Erkennen eines drohen¬ den Überhitzungszustands ebenfalls anhand des von dem Überhitzungs- Temperaturfühlers 22 gelieferten Signals ÜFT durch geeignete Auswer¬ tung seitens des Mikroprozessors 30.
Zunächst soll jedoch erläutert werden, wie und warum es unter anderem zu einer Überhitzung am Wärmetauscher kommen kann.
Fig. 4 zeigt schematisch das in Fig. 1 dargestellte Heizgerät mit Brennerkopf 9, Flammrohr 8 und Wärmetauscher 10. Schematisch ange¬ deutet sind auch der Wassertemperaturfühler 20 im Bereich des Ein¬ lasses des Wärmetauschers 10 und der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 im Endbereich des Flammrohres 8.
Üblicherweise ist das Fahrzeugheizgerät in den Kühlkreislauf des Motors des Kraftfahrzeugs integriert. Wie in Fig. 4 zu ersehen ist, steht der in üblicher Weise mit dem Fahrzeugkühler verbundene Motor 100 mit dem Einlaß des Wärmetauschers 10 in Verbindung. Der Auslaß des Wärmetauschers 10 steht mit dem Eintritt eines Wärmetauschers (WT) 50 des Fahrzeugs in Verbindung. Der Austritt des Wärmetauschers 50 ist wieder mit dem Motor 100 verbunden. Bei dem Wärmetauscher 50 handelt es sich um den oder die "Heizkörper", mit denen z.B. der Fahrzeuginnenraum beheizt wird. Über Schieber oder Ventile läßt sich die Wärmezufuhr zu dem Wärmetauscher 50 sperren oder drosseln. Die Umwälzung des Wärmeträgers (hier: Wasser) erfolgt mit Hilfe einer Wasserpumpe 12.
Außerdem ist in Fig. 4 eine Bypass-Leitung BP dargestellt, deren Zweck darin besteht, bei gesperrtem Wärmetauscher 50 ein Zirkulieren des Wassers durch den Wärmetauscher 10 zu ermöglichen. Wie bekannt, wird das Fahrzeugheizgerät derart geregelt, daß bei Einstellung einer bestimmten Solltemperatur abhängig von der gefühlten Wassertemperatur der Brenner ein- und ausgeschaltet wird. Liegt die von dem Wasser¬ temperaturfühler 20 ermittelte Wassertemperatur unterhalb eines für den eingestellten Temperaturwert repräsentativen oberen Schwellenwerts, so läuft der Brenner. Wird dieser Schwellenwert überschritten, so schaltet die Regelung den Brenner aus. Entsprechendes gilt für einen unteren Schwellenwert. Wenn nun der Wärmetauscher 50 gesperrt wird, weil keine Heizleistung benötigt wird, so läuft der Brenner zunächst noch weiter, weil und während die von dem Wassertemperaturfühler 20 er- mittelte Wassertemperatur noch unterhalb des oberen Schwellenwerts liegt. Die Wasserpumpe 12 pumpt das Wasser über die Bypass-Leitung BP durch den Wärmetauscher 10, so daß sich die Temperatur des Wassers langsam erhöht, bis schließlich der obere Schwellenwert er¬ reicht ist und das Gerät abgeschaltet wird.
Aus verschiedenen Gründen möchte man auf die zusätzlichen Material- und Arbeitsaufwand erfordernde Bypass-Leitung BP verzichten. Wird ohne Bypass-Leitung BP der Wärmetauscher des Fahrzeugs 50 gesperrt, so steht das Wasser in dem Wärmetauscher 10 praktisch still. Wenn der Brenner läuft, erwärmt sich der Gasmantel und mithin das Wasser im
Endbereich des Flammrohrs 8 sehr schnell, während die Temperatur am anderen Ende des Flammrohrs 8, d.h. im Bereich des Wassertempera¬ turfühlers 20 sich zunächst kaum ändert. Dies bedingt die Gefahr einer Überhitzung, so daß man entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen muß.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist nun vorgesehen, daß das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gelieferte Signal ÜFT von dem Mikroprozessor 30 (Fig. 2) zu einem Gradientensignal ausgewertet wird, d.h. der Mikroprozessor 30 bildet in regelmäßigen kurzen Zeitabständen den Quotienten aus Temperatur und Zeitspanne.
In Fig. 5 ist in einer grafischen Darstellung die Wassertemperatur T über der Zeit t aufgetragen. Dargestellt sind eine obere und eine untere Schwelle für das Heizgerät, wobei das Heizgerät ausschaltet, wenn die von dem Wassertemperaturfühler 20 gefühlte Wassertemperatur die obere Schwelle übersteigt, während das Gerät eingeschaltet wird, wenn die Wassertemperatur die untere Schwelle unterschreitet. Anstelle des Aus- und Einschaltens kann auch vorgesehen sein, daß der Brenner von großer auf kleine Leistung umschaltet, und umgekehrt.
Oberhalb der oberen Schwelle ist noch eine Überhitzungsschwelle darge¬ stellt. Wenn das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gelieferte Signal ÜFT diesen Schwellenwert überschreitet, erfolgt ein Sperren des Treibertransistors Tr, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Bei der vorliegnden Ausführungsform bildet der Mikroprozessor 30 aus dem Signal ÜFT ein Gradientensignai, also ein Signal, welches den Temperaturanstieg des Gasmantels 7 am Ende des Flammrohrs 8 kennzeichnet. Wenn man nun annimmt, daß in Fig. 4 der Fahrzeug- Wärmetauscher (WT) 50 gesperrt wird, während der Brenner noch in
Betrieb ist, so erfolgt keine Wasserzirkulation durch den Wasser¬ wärmetauscher 50, und dementsprechend praktisch keine Wasserbewe¬ gung innerhalb des Wärmetauschers 10 des Fahrzeugheizgerät. Deshalb steigt in diesem Fall die Temperatur am Ende des Flammrohrs 8, also die von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gefühlte Temperatur stärker an, als wenn z.B. der Fahrzeugwärmetauscher 50 nur etwas gedrosselt würde. Letzterer Fall ist in Fig. 5 als "Normal" bezeichnet. Im Fall der vollständigen Sperrung des Fahrzeugwärmetauschers 50 ist das Gradientensignal dT/dt jedoch steiler als das mit "Normal" bezeich¬ nete Signal. Wenn diese Steilheit einen Gradienten-Schwellenwert SG (= maximal zulässiger Wert von dT/dt) übersteigt, wird dies als drohender Überhitzungszustand interpretiert, so daß der Mikroprozessor 30 die Brermstoffzufuhr in der oben beschriebenen Weise sperrt. Die Regelung im Normalfall, also ohne Überhitzung bei geöffnetem Fahrzeugwärmetauscher 50 erfolgt anhand des von dem Wassertemperaturfühlers 20 gelieferten Signals so, wie es oben in
Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.
Anstelle der Bildung eines Gradientensignals aus dem von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Ausgangssignal wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein
Differenzwert aus den von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 und dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler 20 gelieferten Meßwerten gebildet, der Mikroprozessor 30 vergleicht diesen Differenzwert mit einem vorher festgelegten Differenz-Schwellenwert. Die von den beiden Temperaturfühlern 20 und 22 gelieferten Meßwerte dürfen bei ordnungsgemäßem Betrieb des Geräts nur um einen bestimmten Betrag voneinander abweichen. Ist die Abweichung größer, so bedeutet dies mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Überhitzungszustand oder einen bevorstehenden Überhitzungszustand.
Die Ausgangssignale der beiden Temperaturfühler 20 und 22 können noch für eine weitere Funktion genutzt werden: Im Normalbetrieb stehen die von den beiden Temperaturfühlern gelieferten Meßsignale in einer gewissen Beziehung, beispielsweise ist das von dem Überhitzungs- Temperturfühler 22 gelieferte Meßsignal stets etwas höher als das von dem Wassertemperaturfühler 20 gelieferte Signal. Weichen die beiden Werte um mehr als einen bestimmten Differenzbetrag voneinander ab, so kann dies bedeuten, daß einer der beiden Temperaturfühler nicht ordnungsgemäß funktioniert. In diesem Fall ist vorgesehen, daß zumindest eine Warnmeldung erzeugt wird, sicherheitshalber erfolgt auch eine Störabschaltung, so daß der defekte Temperaturfühler erst ersetzt werden muß, bevor der Betrieb des Fahrzeugheizgeräts wieder aufgenommen werden kann.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 4 und 5 erläutert, die gegenüber der zuletzt beschriebenen
Ausführungsform Kostenvorteile ermöglicht, jedoch in dem Regelkom¬ fort nicht ganz so günstig ist.
Wie rechts unten in Fig. 4 an dem Fahrzeugheizgerät angedeutet, kann sich am Wasserauslaß des Wärmetauschers 10 ein Wassertemperaturfüh¬ ler 20' befinden, der den wassereintrittsseitigen Temperaturfühler er¬ setzt. Der Wassertemperaturfühler 20' am Wasseraustrittsende des Wär¬ metauschers 10 befindet sich in Berührung mit dem Gasmantel 7, ähn¬ lich wie der Überhitzungs-Temperatur 22. Letzterer kann ebenfalls als Temperaturfühler ausgebildet sein, wie es oben erläutert wurde, es kann sich aber auch einfach um eine Schalter- oder um eine Schmelzsicherung handeln, wie es früher üblich war, um einen Schutz gegen eine mögliche Überhitzung zu erreichen. Dadurch, daß der Wassertemperaturfühler 20' sich am Wasseraustrittsende des Wärmetauschers 10 befindet, liefert er ein Signal, welches sehr stark von den Temperaturverhältnissen am
Endbereich des Flammrohrs 8 abhängt. Kommt es zu einem Stillstand oder Fast-Stillstand der Wasserbewegung in dem Wärmetauscher 10, so erfaßt der mit dem Gasmantel 7 in Berührung stehende Wassertemperaturfühler 20' sehr schnell eine Temperaturerhöhung. Der Mikroprozessor 30 kann diese Temperaturerhöhung des Signals WRT des Wassertemperaturfühlers 20' in ähnlicher Weise auswerten, wie es bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform mit dem Signal ÜFT geschieht. Das heißt: der Mikroprozessor 30 bildet aus dem von dem Wassertemperaturfühler 20' gelieferten Signal WRT in bestimmten Zeitabständen ein Gradientensignal dT/dt, und wenn dieses
Gradientensignal einen Gradienten-Schwellenwert übersteigt, schaltet der Mikroprozessor den Treibertransistor Tr der Brennstoffdosierpumpe ab.
Ein gewisser Nachteil bei dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Regelung des Fahrzeugheizgeräts auf der Grundlage der am wasseraus- trittseitigen Ende des Wärmetauschers 10 gefühlten Wärmeträgertempe- ratur erfolgt. Dieser Temperaturwert ist kurzfristigeren Schwankungen durch den Betrieb des Brenners unterlegen, und diese Schwankungen führen zu einem weniger stabilen Regelbetrieb, so daß die Temperaturen am Fahrzeugwärmetauscher 50 nicht ganz so gleichmässig geregelt werden wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Wie oben erwähnt, wird bei der Ausführungsform, bei der der Wärmeträger-Temperaturfühler 20 wassereintrittsseitig angeordnet ist, außer dem Gradientenwert alternativ oder zusätzlich doch ein Differenzwert aus den von den beiden Temperaturfühlern 20, 22 gelieferten Signalen gebildet, und dieser Differenzwert wird mit einem Differenz-Schwellenwert verglichen, um einen (drohenden) Überhitzungszustand zu erkennen. Diese Differenzwert-Bildung eignet sich besonders gut für die oben angesprochene Variante des Geräts, bei der der Wärmeträger-Temperaturfühler 20' wasseraustrittsseitig angeordnet ist. Die von den Temperaturfühlern 20' und 22 an den Mikroprozessor 30 gelieferten Meßsignale werden von dem Mikroprozessor zu einem Differenzwert verarbeitet. Dies kann in bestimmten zeitlichen Abständen erfolgen. Der jeweils gebildete Differenzwert wird mit einem im Speicher des Mikroprozessors 30 abgelegten Differenz-Schwellenwert verglichen. Bei Überschreitung des Schwellenwerts erfolgt eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr, oder es werden andere Gegenmaßnahmen eingeleitet.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Varianten sind der Wassertempera¬ turfühler 20 einerseits und der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ande¬ rerseits räumlich voneinander getrennt, wobei sich der Wassertempera¬ turfühler 20 an der Wassereintrittsseite des Wärmetauschers 10 mit oder ohne Berührung des Gasmantels 10 befindet, während sich der Über- hitzungs-Temperaturfühler 22 stets in Berührung mit dem Gasmantel 7 am Ende des Flammrohrs 8 befindet.
Man kann gemäß einem speziellen Aspekt der vorliegenden Erfindung die beiden Temperaturfühler zu einem einzigen Bauteil F zusammen- fassen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Fig. 6 zeigt schematisch den (inneren) Gasmantel 7 und den (äußeren) Wassermantel 13 des Wärmetauschers, wobei in einer Öffnung des Wassermantels 17 ein Kombinations-Fühlelement F angeordnet ist, welches mit einer Fühlfläche auf der Außenseite des Gasmantels 7 an- liegt, etwa im Bereich des rechten Endes des Flammrohrs 8.
Fig. 7 zeigt eine erste spezielle Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Kombinations-Fühlelements F. Mit einem Trägerabschnitt 110 sitzt das Fühlelement F in dem äußeren Wassermantel 13, wobei ein Kopf 111 des Fühlelements F etwas über die Außenfläche des Wassermantels 13 vorsteht. Durch das Fühlelement F erstrecken sich zwei Leitungspaare (+) und (-) zu einem Wassertemperaturfühler 20a bzw. einem Über¬ hitzungs-Temperaturfühler 22a. Die Unterseite beider Temperaturfühler 20a, 22a steht mit der Außenseite des Gasmantels 7 in Berührung, wobei die Breite des von Wasser durchströmten Zwischenraums zwischen den
Mänteln 7 und 13 mit 1 bezeichnet ist. Bei diesem Kombinations-Fühl¬ element F stehen beide Temperaturfühler 20a und 22a mit dem Gasmantel 7 in Berührung.
Fig. 8a und 8b zeigen eine Längsschnittansicht bzw. eine Querschnitt¬ ansicht einer weiteren Ausfuhrungsform eines Kombinations-Fühlele¬ ments. Das Kombinations-Fühlelement gemäß Fig. 8a, 8b unterscheidet sich von dem Fühlelement nach Fig. 7 dadurch, daß der Überhitzungs- Temperaturfühler 20b auf einer anderen Höhe liegt als der Wassertempe- raturfühler 20b. Die Stirnfläche des Überhitzungs-Temperaturfühlers 22b kann somit an der Außenseite des Gasmantels 7 anliegen, während der Wassertemperaturfühler 20b keinen Kontakt mit dem Gasmantel hat. Um eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend auszuschließen, sind die beiden Temperaturfühler 20b, 22b an einer Trennwand 113 getrennt. Beide Temperaturfühler sind in einem gemeinsamen, abgestuft ausgebil¬ deten Gehäuse 112 aufgenommen.
Fig. 9 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 8a, 8b, wobei in
Fig. 9 jedoch der Wassertemperaturfühler 20c in einem eigenen Gehäuse 112b und der Überhitzungs-Temperaturfühler 22c in einem eigenen
Gehäuse 112a untergebracht sind. Der Überhitzungs-Temperaturfühler 22c ist länger als der Wassertemperaturfühler ausgebildet und kann deshalb mit dem Gasmantel 7 in Berührung stehen.
Dem Fachmann ist klar, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen jeweils für sich in einem Fahrzeugheizgerät realisiert werden können, daß aber auch mehrere sinnvolle Kombinationen möglich sind. So zum Beispiel läßt sich die in Fig. 2 dargestellte redundante Schaltung mit dem Schwellenwertschalter 38 bei praktisch sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen vorsehen, so daß die Abschaltung des Brenners nicht nur von dem Betriebs des Mikroprozessors 30, sondern auch von dem redundanten Schaltungszweig abhängt. Dies erhöht die Sicherheit. Während bei der als erstes beschriebenen Ausführungsform der Absolut¬ wert des von dem Überhitzungs-Temperaturfühlers 22 gelieferten Signals ÜFT ausgewertet wird, und bei der als zweites beschriebenen Aus- führungsform aus dem Signal ÜFT ein Gradienten wert gebildet wird, ist eine Kombination dieser Varianten äußerst sinnvoll, weil eine Über¬ hitzung auch dann stattfinden kann, wenn sich die Temperatur am Über¬ hitzungs-Temperaturfühler 22, d.h. am Gasmantel 7 in der Nähe des Flammrohrendes, nur relativ langsam erhöht (niedriger Gradientenwert), schließlich aber doch einen Absolutwert aufweist, der eine (kurz bevor¬ stehende) Überhitzung kennzeichnet. Auch in diesem Fall muß natürlich sofort eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
Entsprechende Betrachtungen gelten auch für die Variante mit am Wasseraustrittsende des Wärmetauschers angeordneten (Regel)- Wasser¬ temperaturfühler 20'. Unabhängig davon, wie schnell die Temperatur im Bereich des Wassertemperaturfühlers 20' ansteigt, muß eine Abschaltung bei einer absoluten Temperatur erfolgen, welche einen Überhitzungs¬ zustand kennzeichnet. Wenn also die Überhitzungs-Überwachungsein- richtung anstelle eines Schalters einen Temperaturfühler aufweist, muß die Abschaltung erfolgen, wenn das von diesem Temperaturfühler gelie¬ ferte Signal über dem Schwellenwert liegt, der in Fig. 5 oben mit "Überhitzung" bezeichnet ist.
Das in den Fig. 7 bis 9 dargestellte Kombinations-Fühlelement läßt sich grundsätzlich bei sämtlichen oben beschriebenen Fahrzeugheizgeräten einsetzen, wobei aber insbesondere die Varianten nach Fig. 8a, b und 9 deshalb günstig sind, weil sich der Überhitzungs-Temperaturfühler in Berührung mit dem Gasmantel befindet, der Wassertemperaturfühler hingegen nicht.
Bei den oben beschriebenen Ausf hrungsbeispielen werden als Temperaturfühler PTC-Elemente verwendet. Statt dieser PTC-Elemente können aber auch NTC-Elemente eingesetzt werden. Anstelle der oben angesprochenen Störabschaltung des Brenners durch Sperren der Brennstoffzufuhr zu dem Brenner kann es in gewissen Fällen ausreichen, wenn der Brenner nicht stillgesetzt, sondern lediglich die Brennerleistung heruntergefahren wird. Dies kann zum Beispiel sinnvoll sein, wenn die Wärmeträgerzirkulation beispielsweise durch ein abgeknicktes Rohr oder dergleichen behindert wird. Zusätzlich zu der Störabschaltung oder der Verringerung der Brennerleistung sollte aber im Fall eines Ansprechens der Überhitzungs-Überwachungseinrichtung zweckmäßigerweise eine Warnmeldung erzeugt werden, so daß der Benutzer durch einen optischen oder akustischen Signalgeber darüber informiert wird, daß das Fahrzeugheizgerät nicht ordnungsgemäß arbeitet.

Claims

_ _Patentansprüche
1. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer
Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn¬ stoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr eine Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher (10), der über einen Gas¬ mantel (7) von dem das Flammrohr aufnehmenden Raum getrennt ist und durch den ein Wärmeträger, z.B. Wasser, gepumpt wird, einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20,20'), der die Wärme¬ trägertemperatur mißt, einem Steuergerät (14), welches den Betrieb des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen Wärme¬ trägertemperatur regelt, und einem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) der an das Steuergerät (14) angeschlossen ist, das auf eine am
Wärmetauscher (10) auftretende Überhitzung anspricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten, wenn ein von dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) abgeleitetes Signal einen Schwellenwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzungs-Temperaturfühler (22) in der Nähe des Flammrohrendes in Berührung mit dem Gasmantel angeordnet ist, und daß das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des Überhitzungs- Temperaturfühlers (22) ein Gradientensignal erzeugt, welches mit einem Gradienten-Schwellenwert verglichen wird, und/oder den Differenzwert aus dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20,20') und dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) gelieferten Ausgangssignalen bildet und den Differenzwert mit einem Differenz-Schwellenwert vergleicht.
2. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) in der Nähe des Wärmeträgereintritts (11) insbesondere wassereintrittsseitig bezüglich des Wärmetauschers (10) angeordnet ist. _ _
3. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) mit dem Gasmantel (7) in Berührung steht.
4. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät den von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20) gelieferten Temperaturwert mit dem von dem Überhitzungs- Temperaturfühler (22) gelieferten Temperaturwert vergleicht und bei
Feststellen einer Überschreitung eines vorgegebenen Differenz¬ betrags Gegenmaßnahmen veranlaßt, insbesondere eine Störab¬ schaltung vornimmt.
5. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer
Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn¬ stoff einem Brenner zuführen, welcher eine Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher (10), durch den ein Wärmeträger (10), z.B. Wasser, gepumpt wird, einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20), der die Wärmeträgertemperatur mißt, einem Steuergerät (14), welches den
Betrieb des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen Wärmeträgertemperatur regelt, und einem Überhitzungs- Temperaturfühler (22), der an das Steuergerät (14) angeschlossen ist, das auf eine am Wärmetauscher auftretende Überhitzung an- spricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoff¬ zufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten, wenn ein von dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) abgeleitetes Signal einen Schwellenwert überschreitet, insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät einen Mikroprozessor (30) enthält, dem die
Meßsignale von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20) und dem Überhitzungs-Tempera rfühler (22) zur Auswertung zugeführt werden, und daß parallel zu dem Mikroprozessor ein einen Schwellenwertschalter (38) enthaltender Stromkreis liegt, wobei ein Ausgangssignal des Schwellenwertschalters die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner sperrt oder zum Einleiten anderer Gegenmaßnahmen herangezogen wird.
6. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (30) zum Ermitteln eines Überhitzungs- zustands feststellt, ob sich die beiden Temperaturwerte gleichsinnig ändern, ob ein Mindesttemperaturabstand beider Fühler gegeben ist, und/oder ob der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) nicht einen höheren Temperaturwert liefert als der Überhitzungs-Temperatur¬ fühler (22).
7. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennstoff dosiereinrichtung eine Treiberschaltung (tr), vorgesehen ist, der von dem Steuergerät Treiberimpulse für den getakteten Betrieb der Brennstoffdosiereinrichtung (6) zugeführt werden, und daß der Ausgang des Schwellenwertschalters (28) mit einem Eingang eines logischen Verknüpfungsglieds (40) verbunden ist, dessen anderem Eingang die Treiberimpulse zugeführt werden.
8. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Temperaturfühler (20, 22) als PTC-Elemente oder als NTC-Elemente ausgebildet sind.
9. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn¬ stoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr (8) eine Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher (10), der über einen Gas¬ mantel (7) von dem das Gasflammrohr (8) aufnehmenden Raum getrennt ist und durch den ein Wärmeträger, z.B. Wasser, gepumpt wird, einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20'), der die Wärme¬ trägertemperaturen mißt, einem Steuergerät (14), welches den Be- trieb des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen
Wärmeträgertemperatur regelt, und einem Überhitzungs-Tempera- _ _
turfühler (22), der auf eine am Wärmetauscher auftretende Über¬ hitzung anspricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen ein¬ zuleiten, insbesondere nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20') am Ausgang des Wärmetauschers (10) angeordnet ist, und das Steuergerät den von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20') gemessene Temperatur¬ wert zu einem Gradientensignal auswertet, das mit einem Gradienten-Schwellenwert verglichen wird, und/oder das Steuergerät den Differenzwert aus dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20,20') und dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) gelieferten Ausgangssignalen bildet und den Differenzwert mit einem Differenz-Schwellenwert vergleicht, um bei zu raschem Temperatur- anstieg eine Gegenmaßnahme einzuleiten.
10. Temperaturfühleranordnung für ein Fahrzeugheizgerät, insbesonde¬ re ein Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1, 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20a, 20b, 20c) und der
Überhitzungstemperaturfühler (22a, 22b, 22c) zu einem gemein¬ samen Kombinations-Fühlelement (F) zusammengefaßt sind.
11. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinations-Fühlelement aufweist:
einen Trägerabschnitt (110), der in einer Öffnung des Außenge¬ häuses (13) des Wärmetauschers (10) aufgenommen wird,
einen sich an einem Ende des Trägerabschnitts anschließenden Regelfühler (20a, 20b, 20c), und
einen sich von demselben Ende des Trägerabschnitts (110) neben dem Regelfühler anschließenden Überhitzungsfühler
(22a, 22b, 22c). _ _
12. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Trägerabschnitt (110) ausgemessene Länge des Re- gelfühlers (20b, 20c) geringer ist als diejenige (1) des Über- hitzungsfühlers (22b, 22c).
13. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelfühler und der Uberhitzungsfühler in einem gemein¬ samen Gehäuse (112) aufgenommen sind.
14. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenmaßnahme im Fall einer drohenden Überhitzung die Brenner leistung verringert wird, oder eine Störabschaltung vorgenommen und/oder eine Warnmeldung erzeugt wird.
EP95905590A 1993-12-31 1994-12-27 Fahrzeugheizgerät mit überhitzungs-überwachungseinrichtung Withdrawn EP0737135A1 (de)

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