DE10140388C2

DE10140388C2 - Heater for mobile applications

Info

Publication number: DE10140388C2
Application number: DE10140388A
Authority: DE
Inventors: Michael Keppler
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH; Webasto Thermosysteme International GmbH
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: DE10140388A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät für mobile Anwendungen, mit einer Brennluft leitung zum Zuführen von Brennluft zu einem Brenner, einer Abgasleitung zum Abführen von Abgas vom Brenner, einem Steuergerät zum Steuern des Betriebs des Brenners, und einem an der Brennluftleitung angeordneten und mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelten Brennluftmassenstromsensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln eines derartigen Heizgerätes.The invention relates to a heater for mobile applications, with a combustion air line for supplying combustion air to a burner, an exhaust line to Removal of exhaust gas from the burner, a control unit for controlling the operation of the burner, and one arranged on the combustion air line and connected with the Control unit of operationally coupled combustion air mass flow sensor. Furthermore concerns the invention a method for controlling such a heater.

Ein mobiles Heizgerät dieser Art wird als sogenanntes Zusatz-Luftheizgerät oder Zusatz-Wasserheizgerät bei Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenwagen, Nutzfahrzeugen, Bussen oder Schiffen, eingesetzt. Es dient in der Regel zum Beheizen eines Fahrgastraumes oder zum Vorwärmen des Kühlwassers eines Verbrennungsmotors.A mobile heater of this type is called a so-called auxiliary air heater or Additional water heater in vehicles, such as passenger cars, Commercial vehicles, buses or ships. It is usually used for Heating a passenger compartment or preheating the cooling water Combustion engine.

Aus der DE 44 47 286 A1 ist ein derartiges Heizgerät mit einem Brenner bekannt, der von einer Brennstoffdosierpumpe mit Brennstoff und von einem Brennluftge bläse mit Brennluft versorgt wird. Um im Brenner eine optimale Verbrennung zu erreichen, wird eine vorgegebene Brennstoffmenge gefördert und dazu ein pas sender Soll-Brennluftmassenstrom bestimmt. Der Soll-Brennluftmassenstrom wird mit einem Ist-Brennluftmassenstrom verglichen und die Drehzahl des Brennluftgebläses anschließend so gesteuert, dass der Ist-Wert dem Soll-Wert entspricht. Um den Ist- Brennluftmassenstrom zu ermitteln, ist unter anderem in einer Brennluftleitung ein Brennluftmassenstromsensor, insbe sondere ein Hitzdraht-Anemometer, angeordnet. Derartige Massenstromsensoren sind bekannt und werden speziell bei der Regelung von Katalysatoren in Abgasleitungen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei dem in der DE 44 47 286 A1 beschriebenen Heizgerät kann zwar das Brennluftgebläse in Abhängigkeit der zugeführten Brennstoff menge gesteuert werden, eine echte Regelung der Verbrennung ist hingegen nicht möglich, denn es fehlt eine Rückkopp lung mittels der die tatsächliche Verbrennungsgüte berücksichtigt wird.DE 44 47 286 A1 discloses such a heater with a burner, that of a fuel metering pump with fuel and a Brennluftge blower is supplied with combustion air. To ensure optimal combustion in the burner reach, a given amount of fuel is promoted and a pas transmitter target combustion air mass flow determined. The target combustion air mass flow is compared with an actual combustion air mass flow and the speed of the combustion air fan then controlled so that the actual value corresponds to the target value. To the actual To determine the combustion air mass flow is, among other things, a combustion air mass flow sensor in a combustion air line special a hot wire anemometer, arranged. Such mass flow sensors are known and are specifically used in the control of catalysts used in exhaust pipes of internal combustion engines. The one in the DE 44 47 286 A1 described heater can indeed the combustion air fan depending on the fuel supplied quantity can be controlled, however, real regulation of the combustion is not possible because there is no feedback by means of which the actual quality of combustion is taken into account.

Um eine solche Regelung der Verbrennung zu ermöglichen, ist für derartige Heizgeräte ein Konzept bekannt, das die Auswertung der Flammentemperatur im Brenner nutzt. Dieses Konzept weist jedoch prinzipielle hohe Messun sicherheiten auf und hat sich daher bis heute nicht durchgesetzt. Bei stationären Kleinfeuerungen, die mit Gas betrieben werden, ist ein sogenanntes SCOT-Verfahren bekannt, bei dem ein Flammenionisationssignal ausgewertet wird. Dieses Verfahren kann jedoch nicht auf Heizgeräte für mobile Anwendungen angewendet werden, weil diese in der Regel mit flüssigen Brennstoffen betriebenen werden.In order to enable such regulation of the combustion, a concept is known for such heaters, which uses the evaluation of the flame temperature in the burner. However, this concept has principally high measurements security and has therefore not prevailed until today. In the case of small stationary fires that run on gas a so-called SCOT method is known, in which a flame ionization signal is evaluated. This However, the method cannot be applied to heaters for mobile applications, because these are usually included liquid fuels are operated.

Daher ist es bei Heizgeräten für mobile Anwendungen heutzutage üblich, dass diese mit ungeregelter Verbren nung betrieben werden. Wenn die Verbrennung jedoch ungeregelt erfolgt, wird sie durch gerätebedingte Toleranzen (z. B. Förderleistungsschwankungen des Brennluftgebläses und der Brennstoffpumpe) und Veränderungen der Umge bungsbedingungen (z. B. Fahrtwinddruck, Temperatur oder Luftdruck) beeinflusst. In der Praxis bedeutet dies, dass un ter Umständen Toleranzen kostenintensiv zu minimieren und das Heizgerät vor Inbetriebnahme einzustellen ist. Ferner ist dessen Betriebsbereich stark eingeschränkt und ein einzelner Heizgerätetyp kann im allgemeinen nicht in verschiede nen Einbaulagen angeordnet werden.Therefore, it is common nowadays for heaters for mobile applications to have uncontrolled combustion be operated. However, if the combustion is uncontrolled, it is due to device-related tolerances (e.g. fluctuations in the output of the combustion air fan and the fuel pump) and changes in the environment conditions (e.g. air pressure, temperature or air pressure). In practice, this means that un Under certain circumstances, tolerances must be minimized and the heater must be set before commissioning. Further its operating range is severely restricted and a single heater type cannot generally be divided into different NEN installation positions can be arranged.

Aus DE 198 53 573 A1 ist ein Heizgerät mit einem Gasbrenner bekannt, bei dem als Sollwergeber für ein Gasregelventil ein Luftmengen-Anemometer vorgesehen ist. Damit soll gegenüber einem pneumatischen Gas-Luftverbund ein größerer Modulationsbereich für den Gasbrenner einstellbar sein. Das Anemometer ist in einer kanalförmigen Leitung für Verbrennungszuluft angeordnet, so dass der Luftvolumenstrom bestimmt und die z. B. für eine überstöchiometrische Verbren nung notwendige Gasmenge über ein elektrisch ansteuerbares Gasventil zuge führt werden kann. Bei Heizgeräten mit geschlossener Brennkammer ist es auch möglich, die Anemometer-Sonde im Abgasweg anzuordnen, vorausgesetzt die genau Öffnungscharakteristik des Gasventils ist bekannt.From DE 198 53 573 A1 a heater with a gas burner is known, in which An air quantity anemometer is provided as a target indicator for a gas control valve is. This is intended to be a larger one than a pneumatic gas-air network Modulation range for the gas burner to be adjustable. The anemometer is in a channel-shaped line for combustion air supply, so that the Air volume flow determined and the z. B. for a stoichiometric combustion required amount of gas supplied via an electrically controllable gas valve can be led. It is the same with heaters with a closed combustion chamber possible to place the anemometer probe in the exhaust gas path, provided that exactly the opening characteristic of the gas valve is known.

Aus DE 295 22 225 U1 ist eine Gasflammbehandlungsvorrichtung zur Erhöhung der Oberflächenenergie an zu beschichtenden Oberflächen bekannt, bei der eine Durchflussmengen-Messeinrichtung in einer Luftzuführleitung und eine Durch flussmengen-Messeinrichtung in einer Gaszuführleitung vorgesehen sind.DE 295 22 225 U1 discloses a gas flame treatment device for increasing of the surface energy on surfaces to be coated, in which a Flow rate measuring device in an air supply line and a through flow quantity measuring device are provided in a gas supply line.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile überwunden sind und insbesondere eine geregelte Verbrennung möglich ist.The invention has for its object a heater of the aforementioned Art to improve so that the disadvantages mentioned above are overcome and In particular, controlled combustion is possible.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Heizgerät gelöst, bei dem an der Abgasleitung ein mit dem Steuergerät betrieblich gekoppelter Abgasmassen stromsensor angeordnet ist und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Be trieb des Brenners in Abhängigkeit der beiden ermittelten Gasmassenströme von Brennluft und Abgas zu regeln. Schließlich ist die Aufgabe auch mit einem Verfahren gelöst, bei dem der Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der pro Zeiteinheit strömenden Gasmassen von Brennluft und Abgas geregelt wird.This object is achieved with a heater in which the Exhaust line is an exhaust gas mass that is operatively coupled to the control unit Current sensor is arranged and the control device is set up to the Be driven the burner in dependence on the two determined gas mass flows of Control combustion air and exhaust gas. Finally is the task also solved with a method in which the operation of the burner depending on the gas masses of combustion air and Exhaust gas is regulated.

Grundgedanke der Erfindung ist, dass sich im Heizgerät die beiden Massenströ me von Brennluft und Abgas geringfügig unterscheiden, weil die Gasmasse der Abluft außer der zugeführten Brennluft auch den zugeführten Brennstoff enthält, auch wenn dieser in verbrannter Form vorliegt. Aus dem ermittelten pro Zeitein heit geförderten Massenstrom Abgas kann durch Vergleich mit dem ermittelten pro Zeiteinheit geförderten Massenstrom Brennluft auf die tatsächlich pro Zeitein heit zugeführte Brennstoffmasse bzw. -menge rückgeschlossen werden. Zugleich ist die pro Zeiteinheit tatsächlich zugeführte Brennluftmasse bzw. -menge be kannt, so dass die Zusammensetzung des Brennluft/Brennstoffgemisches ermit telt werden kann, die als Rückkopplung über die tatsächliche Güte der Verbren nung dient. Die Verbrennung kann darauf aufbauend ursachen- und bedarfsge recht geregelt werden.The basic idea of the invention is that the two mass flows in the heater Differentiate me from combustion air and exhaust gas slightly because the gas mass of the Exhaust air contains not only the supplied combustion air but also the supplied fuel, even if it is burned. From the determined per time Unit-supported mass flow exhaust gas can be determined by comparison with the the mass flow of combustion air delivered per unit of time is actually based on the time unit supplied fuel mass or quantity can be inferred. at the same time is the combustion air mass or quantity actually supplied per unit of time knows, so that the composition of the combustion air / fuel mixture can be used as feedback on the actual quality of the combustion serving. The combustion can be based on the cause and the need be regulated fairly.

Durch die geregelte Verbrennungsführung können Toleranzen von Bauteilen des Heizgerätes aufgeweitet und damit das Heizgerät insgesamt kostengünstiger hergestellt werden. Aufwendige Einstellprozeduren an Brennluftgebläse, Brenn stoffpumpe und Brenner entfallen.The controlled combustion control can tolerances of components of the Heater expanded and thus the heater overall cheaper getting produced. Elaborate setting procedures on combustion air blowers, combustion there is no need for a fabric pump and burner.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Heizgerät an nahezu jeder Stelle und in jeder Lage im Fahrzeug eingebaut werden, weil bisher bestehende, durch die Brennstoffzuführung bedingte Einschränkungen aufgehoben sind.In addition, the heater according to the invention can be in almost any place and in any position in the vehicle be installed because existing restrictions due to the fuel supply have been lifted.

Das erfindungsgemäße Heizgerät ist insgesamt unempfindlicher gegen Änderungen der Umgebungsbedingun gen, denn diese Änderungen werden durch die erfindungsgemäße Regelung der Verbrennung in einfacher Weise ausge glichen. So kann insbesondere auf veränderten Fahrtwinddruck, verschiedene Einsatzhöhen mit entsprechenden Luft druckänderungen und auch auf viskoseren Brennstoff bei tiefen Außentemperaturen reagiert werden.The heater according to the invention is generally less sensitive to changes in the environmental conditions gene, because these changes are made by the regulation of the combustion according to the invention in a simple manner equalized. This means that different operating heights with appropriate air can be used, especially when the air pressure changes pressure changes and also to react to more viscous fuel at low outside temperatures.

Ein Vorteil der Erfindung ist ferner, dass zum Regeln des Brenners gleichartige Sensoren, nämlich zwei Gas massenstromsensoren, verwendet werden. Damit können diese Sensoren in größeren Stückzahlen und damit kostengün stiger eingekauft werden. Zudem können auch für die Auswertung der Sensorsignale gleichartige Systeme verwendet werden. Darüber hinaus gestalten sich die Regelalgorithmen aufgrund der gleichartigen Regelgrößen besonders einfach.Another advantage of the invention is that sensors of the same type, namely two gas, are used to regulate the burner mass flow sensors can be used. This means that these sensors can be sold in large numbers and therefore cost-effectively buyers. Similar systems can also be used for the evaluation of the sensor signals become. In addition, the control algorithms are particularly simple due to the similar control variables.

Unter Umständen kann bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät auf einen Flammwächter verzichtet werden, wo mit wiederum erhebliche Kosten eingespart werden.Under certain circumstances, a flame detector can be dispensed with in the heating device according to the invention, where which in turn saves considerable costs.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der Differenz der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln. Zugrunde liegt hier die Erkenntnis, dass die Differenz der Gasmassenströme Abgas und Brennluft eine in der Regel lineare Funktion nur der Heizleistung ist, das heißt, die Differenz ist vom tatsächlichen Brennstoffmassenstrom, nicht aber vom CO₂- Gehalt im Abgas abhängig. Die nachfolgenden berechneten Werte bei einer Laststufe Teillast, d. h. mit konstanter pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmasse (hier Dieselkraftstoff) verdeutlichen dies:
In an advantageous further development of the heating device according to the invention, the control device is set up to regulate the operation of the burner as a function of the difference between the two determined gas mass flows. This is based on the knowledge that the difference between the gas mass flows of exhaust gas and combustion air is generally a linear function of the heating output only, i.e. the difference depends on the actual fuel mass flow but not on the CO ₂ content in the exhaust gas. The following calculated values at a partial load load level, ie with a constant fuel mass supplied per unit of time (here diesel fuel) illustrate this:

Wird die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse erhöht und der Brenner z. B. bei Volllast betrieben, erge ben sich folgende Werte:
If the fuel mass supplied per unit of time is increased and the burner z. B. operated at full load, the following values result:

Die Differenz der gemessenen und pro Zeiteinheit strömenden Abgasmasse und der Brennluftmasse ist dem nach ein Maß für die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse.The difference between the measured exhaust gas mass flowing per unit of time and the combustion air mass is that according to a measure of the fuel mass supplied per unit of time.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit des Quotienten der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln. Diese Art der Rege lung basiert auf der Erkenntnis, dass der Quotient der beiden Gasmassenströme Abgas und Brennluft zwar vom tatsäch lichen CO₂-Gehalt im Abgas abhängig ist, nicht aber vom Brennstoffmassenstrom. Die nachfolgende Tabelle mit den ge genübergestellten berechneten Werten bei Teillast (TL) und Volllast (VL) verdeutlicht dies:
In another advantageous development of the invention, the control device is set up to regulate the operation of the burner as a function of the quotient of the two determined gas mass flows. This type of control is based on the knowledge that the quotient of the two gas mass flows, exhaust gas and combustion air, depends on the actual CO ₂ content in the exhaust gas, but not on the fuel mass flow. This is illustrated in the table below with the compared calculated values at partial load (TL) and full load (VL):

Der Quotient der Gasmassenströme Abluft und Brennluft ist demnach ein Maß für den CO₂-Gehalt des Abgases und damit für die Qualität der Verbrennung.The quotient of the gas mass flows exhaust air and combustion air is therefore a measure of the CO ₂ content of the exhaust gas and thus of the quality of the combustion.

Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät das Steuergerät dazu eingerichtet, den Betrieb des Brenners in Abhängigkeit der Differenz und zugleich des Quotienten der beiden ermittelten Gasmassenströme zu re geln.In the heating device according to the invention, the control device is particularly advantageously set up to operate the burner as a function of the difference and at the same time the quotient of the two gas mass flows determined rules.

Dazu können bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät sogenannte miniaturisierte Gasmassenstromsensoren, z. B. auf Pt1000-Basis verwendet werden. Diese weisen bei individuellem Abgleich (s. u.) eine für die erfindungsge mäße Anwendung ausreichende Genauigkeit auf. Sie zeichnen sich außerdem durch eine geringe elektrische Leistungs aufnahme sowie kurze Ansprechzeit aus und können in großen Stückzahlen sehr kostengünstig produziert werden.For this purpose, so-called miniaturized gas mass flow sensors, z. B. on a Pt1000 basis. These have an individual comparison (see below) one for the fiction adequate application. They are also characterized by a low electrical power recording and short response time and can be produced in large quantities very inexpensively.

Das Steuergerät des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist ferner vorteilhaft dazu eingerichtet, dass es die Gas massenstromsensoren im Taktbetrieb ansteuert.The control device of the heating device according to the invention is also advantageously set up for the gas drives mass flow sensors in cyclical operation.

Das zu regelnde Heizgerät weist im Vergleich zur Aufheizzeit eines Massenstromsensors eine sich nur "lang sam" ändernde Verbrennung auf. Es reicht daher aus, wenn die beiden Sensoren vom Steuergerät nur zu bestimmten Tak ten abgefragt werden, womit die zu verarbeitende Datenmenge erheblich verringert wird.The heater to be controlled is only "long" compared to the heating-up time of a mass flow sensor sam "changing combustion. It is therefore sufficient if the two sensors from the control unit only at a certain cycle ten are queried, which significantly reduces the amount of data to be processed.

Darüber hinaus kann der Aufwand für die Auswertung der Daten der beiden Gasmassenstromsensoren alterna tiv oder zusätzlich dadurch verringert werden, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, dass es die Gasmassenstrom sensoren im Multiplexbetrieb ansteuert. Somit ist für zwei Gasmassenstromsensoren nur eine Auswerteschaltung erfor derlich.In addition, the effort for evaluating the data of the two gas mass flow sensors can alternate tiv or additionally reduced by the fact that the control device is set up so that it the gas mass flow controls sensors in multiplex mode. Thus, only one evaluation circuit is required for two gas mass flow sensors sary.

Ferner ist das Heizgerät besonders kostengünstig herzustellen, wenn die Gasmassenstromsensoren miniaturi sierte Gasmassenstromsensoren mit je einem wärmeempfindlichen Element und einem in Strömungsrichtung der Gas masse dahinter angeordneten Heizelement sind. Als wärmeempfindliches Element kann ein sogenanntes Pt1000-Ele ment verwendet werden. Das Heizelement wird dabei so gesteuert, dass seine Temperatur um einen vorgegebenen Wert über der vom wärmeempfindlichen Element gemessenen Temperatur liegt. Die dem Heizelement zugeführte Leistung ist dann direkt proportional zum Gasmassenstrom.Furthermore, the heater is particularly inexpensive to manufacture if the gas mass flow sensors miniaturi based gas mass flow sensors, each with a heat-sensitive element and one in the flow direction of the gas are arranged behind the heating element. A so-called Pt1000-Ele ment can be used. The heating element is controlled so that its temperature by a predetermined value is above the temperature measured by the heat sensitive element. The power supplied to the heating element is then directly proportional to the gas mass flow.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizgerätes ist das Steuergerät dazu eingerichtet, mit Hilfe des wärmeempfindlichen Elements des miniaturisierten Gasmassenstromsensors auch die Tempe ratur der Brennluft bzw. des Abgases zu ermitteln. Anhand der ermittelten Temperaturen kann beispielsweise eine Wir kungsgradverschlechterung eines dem Brenner nachgeschalteten Wärmetauschers oder eine verringerte Brennstoffzu fuhr durch Ablagerungen am Wärmetauscher bzw. der Brennstoffzuleitung ermittelt werden. Schließlich können auch Kraftstoffarten, wie beispielsweise Diesel und PME, unterschieden werden, da diese unterschiedliche Heizwerte aufwei sen und damit bei gleicher pro Zeiteinheit zugeführter Brennstoffmasse zu unterschiedlichen Differenzen zwischen Ab gas- und Brennlufttemperatur führen. Unter ansonsten gleichen Bedingungen ist die Temperatur des Volllast-Abgas stroms von PME um ca. 20°C geringer als die des Volllast-Abgasstroms von Diesel.In a further advantageous development of the heating device according to the invention, the control device is for this purpose set up, with the help of the heat-sensitive element of the miniaturized gas mass flow sensor, the tempe to determine the temperature of the combustion air or exhaust gas. Using the determined temperatures, for example, a wir deterioration in the efficiency of a heat exchanger downstream of the burner or a reduced fuel drove through deposits on the heat exchanger or the fuel supply line can be determined. Finally, too A distinction is made between types of fuel, such as diesel and PME, because they have different calorific values sen and thus with the same fuel mass supplied per unit of time to different differences between Ab lead gas and combustion air temperature. The temperature of the full-load exhaust gas is under otherwise identical conditions current from PME is approx. 20 ° C lower than that of the full-load exhaust gas flow from diesel.

Das erfindungsgemäße Heizgerät ist vorteilhaft auch dahingehend weitergebildet, dass das Steuergerät die bei den Gasmassenstromsensoren während eines Betriebszustandes des Brenners abgleichen kann, bei dem dem Brenner kein Brennstoff zugeführt wird. Dieser Betriebszustand ergibt sich z. B., wenn die Brennkammer des Heizgerätes zu Be ginn eines Startablaufes mit Luft gespült wird. Der Einfluss von physikalischen Stoffeigenschaften, wie spezifische Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Brennluft und des Abgases, kann, neben einem Abgleich, auch bei der Auswertung der Messsignale der Gasmassenstromsensoren rechnerisch berücksichtigt werden.The heater according to the invention is advantageously further developed in such a way that the control unit at can adjust the gas mass flow sensors during an operating state of the burner, in which the burner no fuel is supplied. This operating state results, for. B. when the combustion chamber of the heater to Be is flushed with air at the start of a starting sequence. The influence of physical substance properties, such as specific ones Density, heat capacity and thermal conductivity of the combustion air and the exhaust gas can, in addition to an adjustment, also at the evaluation of the measurement signals of the gas mass flow sensors are taken into account in the calculation.

Um die Messgenauigkeit der Gasmassenstromsensoren weiter zu erhöhen, kann der Abgleich bei verschiede nen Leistungsstufen des Heizgerätes durchgeführt werden. Beispielsweise wird dazu während des Abgleichs der beiden Gasmassenstromsensoren ein Gebläse in der Brennluftleitung in unterschiedliche Lastzustände gesteuert.To further increase the measuring accuracy of the gas mass flow sensors, the adjustment can be performance levels of the heater. For example, during the comparison of the two Gas mass flow sensors controlled a blower in the combustion air line in different load conditions.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizgerätes anhand der beigefügten sche matischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:Below is an embodiment of a heater according to the invention with reference to the attached cal matical drawings explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Schemaskizze eines erfindungsgemäßen Heizgerätes, und Fig. 1 is a schematic diagram of a heater according to the invention, and

Fig. 2 ein Diagramm der relativen Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten an einem Pt1000-Element ei nes miniaturisierten Abgas-Massenstrommessers in Abhängigkeit des CO₂-Gehalts des Abgases. Fig. 2 is a diagram of the relative change in the heat transfer coefficient on a Pt1000 element egg nes miniaturized exhaust gas mass flow meter depending on the CO ₂ content of the exhaust gas.

Das in Fig. 1 dargestellte Heizgerät 10 weist einen Brenner 12 auf, dem im Betrieb von einer Brennstoffpumpe 14 Brennstoff und von einem Gebläse 16 Brennluft zugeführt werden. Mit der Brennstoffpumpe 14 und dem Gebläse 16 ist ein Steuergerät 18 betrieblich gekoppelt, an das ferner zwei Gasmassenstrommesser 20 und 22 angeschlossen sind. Von den Gasmassenstromsensoren 20 und 22 ist der Sensor 20 als Brennluftmassenstromsensor in einer aus der Umge bung Brennluft zum Brenner 12 führenden Brennluftleitung 24 angeordnet, während der Sensor 22 als Abgasmassen stromsensor in einer vom Brenner 12 Abgas in die Umgebung führenden Abgasleitung 26 angebracht ist. Mittels der Gasmassenstromsensoren 20 und 22 werden die in den Leitungen 24 und 26 pro Zeiteinheit tatsächlich strömenden Mas sen von Brennluft und Abgas ermittelt und in Abhängigkeit dieser Werte die Verbrennung im Brenner 12 geregelt.The heater 10 shown in FIG. 1 has a burner 12 , to which fuel is supplied during operation by a fuel pump 14 and combustion air from a blower 16 . A control unit 18 is operatively coupled to the fuel pump 14 and the blower 16 , to which two gas mass flow meters 20 and 22 are also connected. From the gas mass flow sensors 20 and 22 , the sensor 20 is arranged as a combustion air mass flow sensor in a combustion air line 24 leading from the surrounding combustion air to the burner 12 , while the sensor 22 is mounted as an exhaust gas mass flow sensor in an exhaust gas line 26 leading from the burner 12 into the environment. By means of the gas mass flow sensors 20 and 22 , the masses of combustion air and exhaust gas that actually flow in the lines 24 and 26 per unit of time are determined and the combustion in the burner 12 is regulated as a function of these values.

Zu Beginn einer Startphase des Heizgerätes 10 wird zunächst das Gebläse 16 angesteuert, so dass es den Bren ner 12 mit Umgebungsluft spült, wobei die Brennstoffpumpe 14 keinen Brennstoff fördert. Während der Startphase wer den die Signale der Gasmassenstromsensoren 20 und 22 im Steuergerät 18 eingelesen und aufeinander abgeglichen. Der Brenner 12 wird anschließend gezündet und läuft im Teillast- oder Volllastbetrieb. Das Steuergerät 18 prüft nun im Multiplexbetrieb, d. h. abwechselnd aber unmittelbar hintereinander, die Signale der beiden Gasmassenstromsen sor 20 und 22. Das Steuergerät 18 ermittelt aus den Signalen die Differenz und den Quotienten der pro Zeiteinheit in den Leitungen 24 und 26 strömenden Massen von Brennluft bzw. Abgas und bestimmt gemäß der beiden nachfolgender For meln I bzw. II die pro Zeiteinheit tatsächlich zugeführte Brennstoffmasse und den tatsächlichen CO₂-Gehalt des Abga ses:
At the beginning of a starting phase of the heater 10 , the blower 16 is first activated so that it flushes the burner 12 with ambient air, the fuel pump 14 not delivering any fuel. During the starting phase, who reads the signals from the gas mass flow sensors 20 and 22 in the control unit 18 and compared them. The burner 12 is then ignited and runs in part-load or full-load operation. The control unit 18 now checks in multiplex mode, ie alternately but immediately one after the other, the signals of the two gas mass flow sensors 20 and 22 . The control unit 18 determines from the signals the difference and the quotient of the masses of combustion air or exhaust gas flowing per unit of time in lines 24 and 26 and determines the fuel mass actually supplied per unit of time and the actual CO according to the two following formulas I and II ₂ -Exhaust gas content:

A) Brennstoffmasse = Funktion von (Abgasmasse - Brennluftmasse);A) Fuel mass = function of (exhaust gas mass - combustion air mass);
B) CO₂-Gehalt = Funktion von (Abgasmasse/Brennluftmasse).B) CO ₂ content = function of (exhaust gas mass / combustion air mass).

Auf Basis dieser Ermittlung regelt das Steuergerät die Brennstoffpumpe 14 und das Gebläse 16, um im Brenner 12 eine optimale Verbrennung zu erzielen.On the basis of this determination, the control unit controls the fuel pump 14 and the blower 16 in order to achieve optimal combustion in the burner 12 .

Die am Heizgerät 10 verwendeten Gasmassenstromsensoren 20 und 22 sind sogenannte miniaturisierte Sensoren mit je einem wärmeempfindlichen Element und je einem in Strömungsrichtung der jeweiligen Gasmassen dahinter angeordneten Heizelement. Die elektrische Leistungsaufnahme dieser Sensoren beträgt weniger als 5 Watt. Das wär meempfindliche Element ist ein Pt1000-Element, das unbeschadet auch Temperaturen von 600°C ausgesetzt werden kann. Das Heizelement wird vom Steuergerät 18 so gesteuert, dass seine Temperatur um ein bestimmtes Delta über der vom Pt1000-Element gemessenen Temperatur liegt. Die dem Heizelement zugeführte Leistung ist dann direkt proportio nal zum jeweiligen Gasmassenstrom.The gas mass flow sensors 20 and 22 used on the heater 10 are so-called miniaturized sensors, each with a heat-sensitive element and a heating element arranged behind it in the flow direction of the respective gas masses. The electrical power consumption of these sensors is less than 5 watts. The heat-sensitive element is a Pt1000 element, which can also be exposed to temperatures of 600 ° C without damage. The heating element is controlled by the control unit 18 such that its temperature is a certain delta above the temperature measured by the Pt1000 element. The power supplied to the heating element is then directly proportional to the respective gas mass flow.

Beim Abgasmassenstrom wirkt sich die im Abgas enthaltene Menge CO₂ geringfügig auf den Wärmeüber gangskoeffizienten am Pt1000-Element und damit auf das Signal dieses miniaturisierten Sensors aus. Die Auswirkung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Sie ist jedoch verhältnismäßig gering und führt bezogen auf einen mittleren CO₂-Gehalt von 10,3% im für Heizgeräte relevanten CO₂ Bereich von 7,0% bis 13,5% nur zu einer relativen Abweichung von maximal plus oder minus 1,5%. Da die Abweichung einer Gesetzmäßigkeit folgt, kann sie bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden.In the case of the exhaust gas mass flow, the amount of CO ₂ contained in the exhaust gas has a minor effect on the heat transfer coefficient at the Pt1000 element and thus on the signal from this miniaturized sensor. The effect is illustrated in Fig. 2. However, it is relatively low and, based on an average CO ₂ content of 10.3% in the CO ₂ range relevant for heating devices of 7.0% to 13.5%, only leads to a relative deviation of at most plus or minus 1.5 %. Since the deviation follows a regularity, it can be taken into account when evaluating the sensor signal.

Das Steuergerät 18 ist ferner dazu eingerichtet, mit Hilfe der Pt1000-Elemente auch die Temperatur der Brenn luft bzw. des Abgases zu ermitteln. Anhand dieser Temperaturen kann eine Langzeitdiagnose des Heizgerätes durchge führt werden, indem z. B. der Wirkungsgrad eines dem Brenner 12 nachgeschalteten, nicht dargestellten Wärmetau schers oder die Brennstoffzufuhr mittels der Brennstoffpumpe 14 überwacht wird. Ändern sich nämlich die absoluten Temperaturen des Abgases relativ zur Brennluft, lässt dies einen Rückschluss auf Ablagerungen im Wärmetauscher oder Veränderungen in der Brennstoffzuführung zu. Schließlich kann das Steuergerät 18 auch erkennen, wenn dem Heizgerät 10 falscher Kraftstoff zugeführt wird, beispielsweise Diesel anstatt PME, denn dies führt bei gleicher pro Zeiteinheit zu geführter Brennstoffmasse zu einer Abweichung in der Differenz zwischen Abgas- und Brennlufttemperatur von ca. 20°C.The control unit 18 is also set up to determine the temperature of the combustion air or the exhaust gas with the aid of the Pt1000 elements. Based on these temperatures, a long-term diagnosis of the heater can be performed by z. B. the efficiency of a burner 12 downstream, not shown Wärmetau shear or the fuel supply by means of the fuel pump 14 is monitored. If the absolute temperatures of the exhaust gas change relative to the combustion air, this allows conclusions to be drawn about deposits in the heat exchanger or changes in the fuel supply. Finally, the control unit 18 can also recognize if the heater 10 is supplied with the wrong fuel, for example diesel instead of PME, because this leads to a deviation in the difference between the exhaust gas and combustion air temperature of approximately 20 ° C. with the same fuel mass supplied per unit of time.

Der Unterschied im Heizwert pro Massen- bzw. pro Volumeneinheit ist bei verschiedenen Kraftstoffen im Ver gleich zu ihrer Dichte verhältnismäßig hoch, wie nachfolgende Tabelle zeigt:
The difference in calorific value per unit of mass or per unit volume is relatively high for different fuels compared to their density, as the following table shows:

Die genannten Vorteile führen zu einer dauerhaft optimal geregelten Verbrennung im Heizgerät, zu Kostenein sparungen und eröffnen darüber hinaus neue Marktchancen für bestehende Heizgeräte, die den selbständig vorhandenen Mehraufwand für den zweiten Gasmassenstromsensor mehr als ausgleichen können.The advantages mentioned lead to permanently optimally controlled combustion in the heater, at a cost savings and also open up new market opportunities for existing heaters that the independently existing Additional expenses for the second gas mass flow sensor can more than compensate.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Heizgerät
heater

1212

Brenner
burner

1414

Brennstoffpumpe
fuel pump

1616

Gebläse
fan

1818

Steuergerät
control unit

2020

Brennluftmassenstromsensor
Combustion air mass flow sensor

2222

Abgasmassenstromsensor
Exhaust gas mass flow sensor

2424

Brennluftleitung
Combustion air line

2626

Abgasleitung
exhaust pipe

Claims

1. Heizgerät (10) für mobile Anwendungen, mit
einer Brennluftleitung (24) zum Zuführen von Brennluft zu einem Brenner (12),
einer Abgasleitung (26) zum Abführen von Abgas vom Brenner (12),
einem Steuergerät (18) zum Steuern des Betriebs des Brenners (12), und
einem an der Brennluftleitung (24) angeordneten und mit dem Steuergerät (18) betrieblich gekoppelten Brennluft massenstromsensor (20),
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Abgasleitung (26) ein mit dem Steuergerät (18) betrieblich gekoppelter Abgasmassenstromsensor (22) zur Ermittlung eines zweiten Gasmassenstroms angeordnet ist, und das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Brenners (12) in Abhängigkeit der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln.1. heater ( 10 ) for mobile applications, with
a combustion air line ( 24 ) for supplying combustion air to a burner ( 12 ),
an exhaust pipe ( 26 ) for discharging exhaust gas from the burner ( 12 ),
a control device ( 18 ) for controlling the operation of the burner ( 12 ), and
a combustion air mass flow sensor ( 20 ) arranged on the combustion air line ( 24 ) and operatively coupled to the control unit ( 18 ),
characterized by
that an exhaust gas mass flow sensor ( 22 ) operatively coupled to the control unit ( 18 ) for determining a second gas mass flow is arranged on the exhaust line ( 26 ), and the control unit ( 18 ) is set up to determine the operation of the burner ( 12 ) as a function of the two Regulate gas mass flows.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Brenners (12) in Abhängigkeit von der Differenz der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln.2. Heater according to claim 1, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to regulate the operation of the burner ( 12 ) as a function of the difference between the two determined gas mass flows.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Brenners (12) in Abhängigkeit vom Quotienten der beiden ermittelten Gasmassenströme zu regeln.3. A heater according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to regulate the operation of the burner ( 12 ) as a function of the quotient of the two gas mass flows determined.

4. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerich tet ist, dass es die Gasmassenstromsensoren (20, 22) im Taktbetrieb ansteuert.4. Heater according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to the fact that it controls the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in cyclical operation.

5. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerich tet ist, dass es die Gasmassenstromsensoren (20, 22) im Multiplexbetrieb ansteuert.5. Heater according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to the fact that it controls the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in multiplex mode.

6. Heizgerät nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gasmassen stromsensoren (20, 22) ein miniaturisierter Gasmassenstromsensor mit einem wärmeempfindlichen Element, insbesondere einem Pt1000-Element, und einem Heizelement ist.6. Heater according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) is a miniaturized gas mass flow sensor with a heat-sensitive element, in particular a Pt1000 element, and a heating element.

7. Heizgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, mit Hilfe des wärmeempfindlichen Elements des miniaturisierten Gasmassenstromsensors auch die Temperatur der Brennluft bzw. des Abgases zu ermitteln.7. A heater according to claim 6, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to determine the temperature of the combustion air or the exhaust gas with the aid of the heat-sensitive element of the miniaturized gas mass flow sensor.

8. Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, aus den er mittelten Temperaturen von Brennluft und Abgas sowie der aktuell vorgegebenen Brennstoff-Fördermenge auf die aktuell gegebene Effizienz eines nachgeschalteten Wärmeübertragers und/oder die aktuell verwendete Brennstoffart zurückzuschliessen und gegebenenfalls erforderliche Anpassungsmaßnahmen einzuleiten.8. A heater according to claim 7, characterized in that the control device ( 18 ) is set up from the average temperatures of the combustion air and exhaust gas and the currently specified fuel flow rate to the currently given efficiency of a downstream heat exchanger and / or the currently used To conclude the type of fuel and to initiate any necessary adaptation measures.

9. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18) dazu eingerich tet ist, die beiden Gasmassenstromsensoren (20, 22) während eines Betriebszustandes des Brenners (12) abzuglei chen, bei dem dem Brenner (12) kein Brennstoff zugeführt wird. 9. Heater according to one of claims 1 to 8, characterized in that the control device ( 18 ) is set up to the two gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) during an operating state of the burner ( 12 ), in which the burner ( 12 ) no fuel is supplied.

10. Heizgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Brennluftleitung (24) ein mit dem Steuergerät (18) betrieblich gekoppeltes Gebläse (16) angeordnet ist und das Steuergerät (18) dazu eingerichtet ist, das Gebläse (16) während des Abgleichs der beiden Gasmassenstromsensoren (20, 22) in unterschiedli che Lastzustände zu steuern.10. A heater according to claim 9, characterized in that a blower ( 16 ) operatively coupled to the control device ( 18 ) is arranged on the combustion air line ( 24 ) and the control device ( 18 ) is set up to control the blower ( 16 ) during the adjustment to control the two gas mass flow sensors ( 20 , 22 ) in different load conditions.

11. Verfahren zum Regeln eines Heizgerätes (10) für mobile Anwendungen, mit den Schritten:
Zuführen von Brennluft zu einem Brenner (12),
Abführen von Abgas vom Brenner (12), und
Regeln des Betriebs des Brenners (12),
dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Brenners (12) in Abhän gigkeit der pro Zeiteinheit strömenden Gasmassen von Brennluft und Ab gas geregelt wird.11. A method for controlling a heater ( 10 ) for mobile applications, comprising the steps:
Supplying combustion air to a burner ( 12 ),
Removing exhaust gas from the burner ( 12 ), and
Rules of operation of the burner ( 12 ),
characterized in that the operation of the burner ( 12 ) is regulated in dependence on the gas masses flowing per unit time of combustion air and exhaust gas.