WO1997002516A1 - Heizgerät, insbesondere zur innenraumbeheizung eines kraftfahrzeuges - Google Patents

Heizgerät, insbesondere zur innenraumbeheizung eines kraftfahrzeuges Download PDF

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WO1997002516A1 PCT/DE1996/001225 DE9601225W WO9702516A1 WO 1997002516 A1 WO1997002516 A1 WO 1997002516A1 DE 9601225 W DE9601225 W DE 9601225W WO 9702516 A1 WO9702516 A1 WO 9702516A1
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Definitions

  • Heater in particular for heating the interior of a motor vehicle
  • the invention relates to a heater, in particular for heating the interior of a motor vehicle
  • a heat exchanger which transfers the heat of combustion to a hydraulic heat transfer medium, in particular water, which is pushed through by combustion gases on one side of a gas jacket and by the hydraulic heat transfer medium on the other side of the gas jacket,
  • an overheating sensor which is - preferably on the hydraulic side - in direct heat-conducting contact with the gas jacket and which generates temperature-reproducing signals
  • a signal evaluation which determines a temperature gradient from time-spaced temperature signals and stops the burner when a threshold value of the temperature gradient is exceeded.
  • the monitoring of the temperature gradient offers the advantage that an operating state with a risk of overheating can be recognized very early, ie clearly before undesirably high temperatures occur. This is based on the fact that there is essentially a risk of overheating if the burner output is too high compared to the throughput of the hydraulic medium in the heat exchanger and accordingly a large temperature gradient, ie a rapid rise in temperature, occurs.
  • the object of the invention is to determine the risk of heating particularly reliably or at an early stage.
  • This object is achieved in that the signal evaluation operates depending on the temperature determined in each case with different threshold values of the temperature gradient.
  • the invention is based on the general idea that a comparatively rapid rise in temperature without the risk of overheating can be permitted as long as the temperature level remains low and thus clearly below a dangerous temperature level.
  • the temperature rise should be slowed down, since otherwise inadmissibly high temperatures could be reached or after the heater was switched off, overheating could still occur due to residual heat.
  • the permissible temperature-dependent threshold value can be specified as a function of the temperature present when the burner is switched on.
  • the signal evaluation samples the temperature at a high clock frequency and determines an average value of the temperature gradient for a time interval in each case in the past.
  • this can be done in such a way that of the values of the temperature sampled with a high clock frequency, those values which are spaced in time by a predetermined interval which is long in comparison with the clock intervals are processed in the sense of forming a difference.
  • the signal processing can work according to the invention in such a way that the burner is switched off if a temperature difference occurs between the sensors which exceeds a temperature-dependent threshold value.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a heating device according to the invention
  • 2 shows a diagram which shows typical temporal temperature profiles.
  • a combustion chamber 1 which can be controlled or regulated by supplying fuel via a metering pump 2 and combustion air via a blower 3.
  • a heat exchanger 4 Connected to the combustion chamber 1 is a heat exchanger 4, which has a gas space 5 through which the combustion gases emerging from the combustion chamber 1 flow, and a hydraulic space 6 which is penetrated by a hydraulic heat transfer medium, usually water, and which is opposite the gas space 5 by a gas jacket 7 and is closed to the outside by a water jacket 8.
  • the combustion gases enter the gas space 5 via a flame tube 9 arranged on the output side of the combustion chamber 1 and are deflected at the closed end of the gas space 5 facing away from the combustion chamber 1, so that they are discharged to the outside via an exhaust gas line 10 and an exhaust gas silencer (not shown) can be after they have flowed along the wall of the gas jacket 7 with the transfer of heat to the hydraulic medium.
  • the hydraulic chamber 6 is helically formed by the hydraulic heat transfer medium, which is guided through corresponding guide webs on the outside of the gas jacket 7, from an inlet 11 to an outlet 12 in a circular manner. flows through, which leads via one or more radiators 13 and / or via the cooling circuit of a motor vehicle engine.
  • an overheating sensor 14 Arranged near the inlet 11 distant from the combustion chamber 1 is an overheating sensor 14 which is in direct heat-conducting contact with the gas jacket 7 and, for this purpose, is tensioned against the outside of the gas jacket 7 by means of suitable tensioning elements, e.g. springs, in order to ensure good heat transfer. Otherwise, the overheating sensor 14 is also washed around by the hydraulic heat transfer medium with which the overheating sensor 14 is also in heat-conducting contact.
  • suitable tensioning elements e.g. springs
  • a temperature sensor 15 is arranged near the outlet 12, which is spaced from the gas jacket 7 and can essentially only detect the temperature of the hydraulic heat transfer medium.
  • the sensors 14 and 15 are connected to the input side of a signal evaluation 16 which is used to control the combustion process, i.e. serves to control the metering pump 2 and the blower 3.
  • the signals from the temperature sensor 15 are primarily used to regulate the output of the heater.
  • the signals from the overheating sensor 14 are used alone or in combination with the signals from the temperature sensor 15 to protect against overheating.
  • the curves K, and K 2 show, by way of example, two desired temperature profiles on the overheating sensor 14 as a function of the time t.
  • the firing operation of the heater is switched on at a relatively low temperature T, while in the case of curve K 2 the operation starts at a comparatively significantly higher temperature T 2 .
  • a comparatively steeper maximum temperature rise ie a large temperature gradient over time, is permissible without the risk of overheating, while in the case of the higher starting temperature T 2 only a lower maximum temperature gradient is to occur.
  • the maximum temperature gradients are illustrated by the slope of the straight line G.
  • the signal evaluation 16 now detects the temperature signals of the overheating sensor 14 with a comparatively high clock frequency, ie successive measured temperature measurement values are only separated by a small time difference dt. All the measured values ascertained are stored for a respective longer time interval DT. The temperature difference between the most recent and the oldest measured value is then determined within this time interval DT. This temperature difference changes analogously to the respective temperature gradient.
  • the measured value evaluation shown avoids, on the one hand, that any scatter or possible signal noise from the overheating sensor 14 can lead to larger errors in the determination of the temperature gradient. Since the temperature gradient determined in each case is clearly represented by the slope of a straight line Si, Sj, etc., which passes through two measuring points with a relatively large distance DT over time, slight changes in the measured values due to interference cannot lead to any noteworthy change in the slope of the straight line Si, Sj etc. lead.
  • the signal evaluation 16 also takes into account maximum values of the temperature gradient which are dependent on the respective temperature level, i.e. the signal evaluation 16 "knows" that at a higher temperature level only comparatively small temperature gradients should occur, the respective operating state can be taken into account in the overheating protection and in particular at a low temperature level, if there may be a high heating requirement, a rapid temperature rise can be made possible .
  • the signal evaluation can also evaluate the temperature differences between the sensors 14 and 15, with maximum differences depending on the respective temperature level also being permitted.

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Abstract

Zur Überhitzungssicherung des Heizgerätes wird der Temperaturanstieg beim Heizbetrieb überwacht, wobei der Heizbetrieb bei zu schnellem Temperaturanstieg abgeschaltet wird. Erfindungsgemäß werden zeitlich dicht aufeinanderfolgende Werte des Temperaturanstieges ermittelt und/oder eine Mittelwertbildung durchgeführt, um Signalrauschen der Temperaturfühler zu kompensieren.

Description

Heizgerät, insbesondere zur Innenraumbeheizung eines Kraftfahrzeuges
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere zur Innenraumbeheizung eines Kraftfahrzeuges, mit
- einem als Wärmequelle dienenden regelbaren Brenner,
- einem die Verbrennungswärme auf ein hydraulisches Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, übertragenden Wärmetauscher, der auf einer Seite eines Gasmantels von Verbrennungsgasen und auf der anderen Seite des Gasmantels vom hydraulischen Wärmeträgermedium durch¬ setzt wird,
- einem Überhitzungsfühler, der - vorzugsweise auf der Hydraulikseite - in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem Gasmantel steht und dessen Temperatur wieder¬ gebende Signale erzeugt, und
- einer Signalauswertung, die aus zeitlich beabstandeten Temperatursignalen einen Temperaturgradienten ermittelt und den Brenner bei Überschreitung eines Schwellwertes des Temperaturgradienten stillsetzt.
Ein derartiges Heizgerät ist Gegenstand der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 44 46 829.6 (= P 1514/1) . Die Überwachung des Temperaturgradienten bietet den Vorzug, daß ein Betriebszustand mit Überhitzungs- gefahr sehr frühzeitig erkannt werden kann, d.h. deutlich bevor unerwünscht hohe Temperaturen auftreten. Dies beruht auf der Tatsache, daß eine Überhitzungsgefahr im wesent¬ lichen nur dann auftreten kann, wenn die Brennerleistung im Vergleich zum Durchsatz des hydraulischen Mediums im Wärmetauscher zu hoch ist und dementsprechend ein großer Temperaturgradient, d.h. ein schneller Temperaturanstieg, auftritt.
Da nun bei Überwachung des Temperaturgradienten der Brenner bereits bei Überhitzungsgefahr, jedoch vor dem Eintritt der Überhitzung, ausgeschaltet wird, erübrigen sich besondere Maßnahmen, wenn der Brenner später erneut eingeschaltet werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Erhitzungsgefahr besonders sicher bzw. frühzeitig festzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Signalauswertung in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Temperatur mit unterschiedlichen Schwellwerten des Temperaturgradienten arbeitet.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, daß ein vergleichsweise schneller Temperaturanstieg ohne Überhitzungsgefahr zugelassen werden kann, solange das Temperaturniveau niedrig und damit deutlich unter einem gefährlichen Temperaturniveau bleibt . Sobald dagegen bereits höhere Temperaturen erreicht worden sind, soll der Temperaturanstieg verlangsamt werden, da andernfalls schnell unzulässig hohe Temperaturen erreicht werden könnten bzw. nach Abschalten des Heizgerätes eine Überhitzung noch aufgrund vorhandener Restwärme auftreten könnte.
Insbesondere kann der zulässige temperaturabhängige Schwell¬ wert in Abhängigkeit von der beim Einschalten des Brenners vorliegenden Temperatur vorgegeben werden.
Zusätzlich oder alternativ kann bei dem eingangs angegebenen Heizgerät vorgesehen sein, daß die Signalauswertung die Temperatur mit hoher Taktfrequenz abtastet und einen Mittel¬ wert des Temperaturgradienten für ein jeweils zurückliegen¬ des Zeitintervall ermittelt.
Dies kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung in der Weise geschehen, daß von den mit hoher Taktfrequenz abgetasteten Werten der Temperatur jeweils solche, die zeitlich um ein vorgegebenes, im Vergleich zu den Taktintervallen langes Intervall beabstandet sind, im Sinne einer Differenzbildung verarbeitet werden.
Im Ergebnis wird es damit möglich, zeitlich sehr dicht - gemäß der Taktfrequenz - aufeinanderfolgende Werte des Temperaturgradienten zu ermitteln und gleichzeitig zu vermeiden, daß unvermeidliche Signalschwankungen bzw. Signalrauschen der Fühler zu grob unrichtigen Werten des ermittelten Temperaturgradienten führen können.
Des weiteren kann noch in grundsätzlich bekannter Weise vorgesehen sein, im Hydraulikbereich, insbesondere am hydraulischen Ausgang des Wärmetauschers, einen weiteren Temperaturfühler in wärmeleitendem Kontakt mit dem Hydraulikmedium anzuordnen. In diesem Falle kann die Signalverarbeitung erfindungsgemäß so arbeiten, daß der Brenner abgeschaltet wird, wenn zwischen den Fühlern eine Temperaturdifferenz auftritt, die einen temperaturab¬ hängigen Schwellwert überschreitet.
Hier wird berücksichtigt, daß zwischen dem Gasmantel und dem Hydraulikmedium bei geringem Temperaturniveau eine vergleichsweise große Temperaturdifferenz auftreten darf, während bei höherem Temperaturniveau bei ähnlich großer Temperaturdifferenz bereits die Gefahr einer Überhitzung eingetreten könnte.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 ein schematisiertes Schnittbild eines erfindungs¬ gemäßen Heizgerätes, und Fig. 2 ein Diagramm, welches typische zeitliche Tempera¬ turverläufe wiedergibt.
Das Heizgerät der Fig. 1 besitzt in grundsätzlich bekannter Weise eine Brennkammer 1 , der über eine Dosierpumpe 2 Kraft¬ stoff und über eine Gebläse 3 Verbrennungsluft steuerbar oder regelbar zuführbar ist. An die Brennkammer 1 schließt ein Wärmetauscher 4 an, welcher einen von den aus der Brennkammer 1 austretenden Verbrennungsgasen durchströmten Gasraum 5 sowie einen von einem hydraulischen Wärmeträger¬ medium, in der Regel Wasser, durchsetzten Hydraulikraum 6 aufweist, der gegenüber dem Gasraum 5 durch einen Gasmantel 7 und nach außen durch einen Wassermantel 8 abgeschlossen ist. Die Verbrennungsgase treten in den Gasraum 5 über ein ausgangsseitig an der Brennkammer 1 angeordnetes Flamm¬ rohr 9 ein und werden am von der Brennkammer 1 abgewandten geschlossenen Ende des Gasraumes 5 umgelenkt, so daß sie über eine Abgasleitung 10 und einen nicht dargestellten Abgasschalldämpfer nach außen abgeleitet werden können, nachdem sie an der Wandung des Gasmantels 7 unter Über¬ tragung von Wärme auf das Hydraulikmedium entlanggeströmt sind.
Der Hydraulikraum 6 wird vom hydraulischen Wärmeträger¬ medium, welches durch entsprechende Führungsstege auf der Außenseite des Gasmantels 7 geführt wird, schraubenförmig von einem Eingang 11 zu einem Ausgang 12 hin in einem Kreis- lauf durchströmt, der über ein oder mehrere Heizkörper 13 und/oder über den Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugmotors führt.
Nahe des von der Brennkammer 1 entfernten Einganges 11 ist ein Überhitzungsfühler 14 angeordnet, welcher in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem Gasmantel 7 steht und dazu mittels geeigneter Spannelemente, z.B.Federn, gegen die Außenseite des Gasmantels 7 gespannt ist, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Im übrigen wird der Überhitzungsfühler 14 auch vom hydraulischen Wärmeträger¬ medium umspült, mit dem der Überhitzungsfühler 14 ebenfalls in wärmeleitendem Kontakt steht.
Nahe des Ausganges 12 ist ein Temperaturfühler 15 ange¬ ordnet, der vom Gasmantel 7 beabstandet ist und im wesent¬ lichen nur die Temperatur des hydraulischen Wärmeträger¬ mediums erfassen kann.
Die Fühler 14 und 15 sind mit der Eingangsseite einer Signalauswertung 16 verbunden, die zur Steuerung des Verbrennungsprozesses, d.h. zur Steuerung der Dosier¬ pumpe 2 sowie des Gebläses 3 dient.
Die Signale des Temperaturfühlers 15 werden in erster Linie zur Leistungsregelung des Heizgerätes herangezogen. Die Signale des Überhitzungsfühlers 14 dienen allein oder in Kombination mit den Signalen des Temperaturfühlers 15 zur Sicherung gegen Überhitzung.
Dies wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Diagramms erläutert, dessen Abszisse die Zeit t und dessen Ordinate die Temperatur T wiedergibt.
Die Kurven K, und K2 zeigen beispielhaft zwei gewünschte Temperaturverläufe am Überhitzungsfühler 14 in Abhängigkeit von der Zeit t. Im Falle der Kurve K, wird der Brennbetrieb des Heizgerätes bei einer relativ niedrigen Temperatur T-, eingeschaltet, während im Falle der Kurve K2 der Betrieb bei einer vergleichsweise deutlich höheren Temperatur T2 einsetzt. Im Falle der niedrigen Ausgangstemperatur T, ist ein vergleichsweise steilerer maximaler Temperatur¬ anstieg, d.h. ein großer zeitlicher Temperaturgradient, ohne Überhitzungsgefahr zulässig, während im Falle der höheren Ausgangstemperatur T2 nur ein geringerer maximaler Temperaturgradient auftreten soll. In der Darstellung der Fig. 2 werden die maximalen Temperaturgradienten durch die Steigung der Geraden G. und G2 veranschaulicht, die die Kurven K, bzw. K2 am Punkte ihrer größten Steilheit tangential berühren. Die Signalauswertung 16 erfaßt nun die Temperatursignale des Überhitzungsfühlers 14 mit vergleichsweise hoher Taktfrequenz, d.h. aufeinanderfolgende erfaßte Tempera¬ turmeßwerte liegen zeitlich lediglich um eine geringe Zeitdifferenz dt auseinander. Für ein jeweils zurück¬ liegendes größeres Zeitintervall DT werden sämtliche er¬ mittelten Meßwerte gespeichert . Sodann wird die Tempera¬ turdifferenz zwischen dem jüngsten und dem ältesten Meßwert innerhalb dieses Zeitintervalles DT ermittelt. Diese Temperaturdifferenz ändert sich analog zum je¬ weiligen Temperaturgradienten.
Durch die dargestellte Meßwertauswertung wird einerseits vermieden, daß eine eventuelle Streuung bzw. eventuelles Signalrauschen des Überhitzungsfühlers 14 zu größeren Fehlern bei der Ermittlung des Temperaturgradienten führen können. Da nämlich der jeweils ermittelte Tempe¬ raturgradient anschaulich durch die Steigung einer Geraden Si, Sj usw. dargestellt wird, die durch zwei Meßpunkte mit dem zeitlich relativ großen Abstand DT hindurchläύft, können geringfügige Änderungen der Meßwerte durch Störeinflüsse zu keiner nennenswerten Veränderung der Steigung der Geraden Si, Sj usw. führen.
Andererseits liegen aufeinanderfolgende Werte für den Temperaturgradienten zeitlich dicht hintereinander, denn der zeitliche Abstand zwischen r lfeinanderfolgenden Werten des Temperaturgradienten entspricht der Länge des kleinen Zeitintervalls dt.
Indem die Signalauswertung 16 darüber hinaus vom jeweiligen Temperaturniveau abhängige Maximalwerte des Temperatur¬ gradienten berücksichtigt, d.h. die Signalauswertung 16 „weiß", daß bei höherem Temperaturniveau nur vergleichs¬ weise geringe Temperaturgradienten auftreten sollen, kann der jeweilige Betriebszustand bei der Uberhitzungssicherung berücksichtigt werden und insbesondere bei geringem Tempera¬ niveau, wenn ein hoher Heizbedarf vorhanden sein kann, ein schneller Temperaturanstieg ermöglicht werden.
Zusätzlich kann die Signalauswertung noch die Temperatur¬ differenzen zwischen den Fühlern 14 und 15 auswerten, wobei ebenfalls wiederum vom jeweiligen Temperaturniveau abhängige Maximaldifferenzen zugelassen werden.
Sobald die maximalen Temperaturdifferenzen bzw. die zuvor erläuterten maximalen Temperaturgradienten überschritten werden, wird zumindest die Dosierpumpe 2 stillgesetzt, um den Verbrennungsprozeß in der Brennkammer 1 zu beenden.

Claims

Ansprüche:
1. Heizgerät, insbesondere zur Innenraumbeheizung eines Kraftfahrzeuges, mit
- einem als Wärmequelle dienenden regelbaren Brenner,
- einem die Verbrennungswärme auf ein hydraulisches Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, übertragenden Wärmetauscher, der auf einer Seite eines Gasmantels von Verbrennungsgasen und auf der anderen Seite des Gasmantels vom hydraulischen Wärmeträgermedium durch¬ setzt wird,
- einem Überhitzungsfühler, der - vorzugsweise auf der Hydraulikseite - in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem Gasmantel steht und dessen Temperatur wiedergebende Signale erzeugt, und
- einer Signalauswertung, die aus zeitlich beabstandeten Temperatursignalen einen Temperaturgradienten ermittelt und den Brenner bei Überschreitung eines Schwellwertes des Temperaturgradienten stillsetzt, d a d u'r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalauswertung (16) in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Temperatur mit unterschiedlichen Schwellwerten des Temperaturgradienten arbeitet.
2. Heizgerät, insbesondere zur Innenraumbeheizung eines Kraftfahrzeuges, mit
- einem als Wärmequelle dienenden regelbaren Brenner,
- einem die Verbrennungswärme auf ein hydraulisches Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, übertragen¬ den Wärmetauscher, der auf einer Seite eines Gas¬ mantels von Verbrennungsgasen und auf der anderen Seite eines Gasmantels vom hydraulischen Wärmeträger¬ medium durchsetzt wird,
- einem Überhitzungsfühler, der - vorzugsweise auf der Hydraulikseite - in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem Gasmantel steht und dessen Temperatur wiedergebende Signale erzeugt, und
- einer Signalauswertung, die aus zeitlich beabstandeten Temperatursignalen einen Temperaturgradienten ermittelt und den Brenner bei Überschreitung eines Schwellwertes des Temperaturgradienten stillsetzt, insbesondere nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalauswertung (16) die Temperatur mit hoher Taktfrequenz (1/dt) abtastet und einen Mittelwert des Temperaturgradienten für ein zurückliegendes Zeit¬ intervall (DT) ermittelt.
3. Heizgerät nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von den mit hoher Taktfrequenz abgetasteten
Werten der Temperatur jeweils solche, die zeitlich um ein vorgegebenes größeres Intervall (DT) beabstandet sind, im Sinne einer Differenzbildung verarbeitet werden.
4. Heizgerät, insbesondere zur Innenraumbeheizung eines Kraftfahrzeuges, mit
- einem als Wärmequelle dienenden regelbaren Brenner,
- einem die Verbrennungswärme auf ein hydraulisches Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, übertragenden Wärmetauscher, der auf einer Seite eines Gasmantels von Verbrennungsgasen und auf der anderen Seite des Gasmantels vom hydraulischen Wärmeträgermedium durch¬ setzt wird,
- einem Überhitzungsfühler, der - vorzugsweise auf der Hydraulikseite - in unmittelbarem wärmeleitenden Kon¬ takt mit dem Gasmantel steht und dessen Temperatur wiedergebende Signale erzeugt, und
- einer Signalauswertung, die aus zeitlich aufeinander¬ folgenden Temperatursignalen einen Temperaturgradienten ermittelt und den Brenner bei Überschreitung eines Schwellwertes des Temperaturgradienten stillsetzt, insbesondere nach einem Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am hydraulischen Ausgang (12) des Wärmetauschers (4) ein weiterer Temperaturfühler (15) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Hydraulikmedium steht, wobei die Signalverarbeitung (16) den Brenner abschaltet, wenn zwischen den Fühlern (14,15) eine Temperaturdifferenz auftritt, die einen vom jeweiligen Temperaturniveau abhängigen Schwellwert überschreitet.
PCT/DE1996/001225 1995-07-04 1996-07-02 Heizgerät, insbesondere zur innenraumbeheizung eines kraftfahrzeuges WO1997002516A1 (de)

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