DE102004059148A1 - Brennervorrichtung für flüssigen Brennstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennervorrichtung für flüssigen Brennstoff, insbesondere zum Einsatz in einem Heizgerät eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrisch beheizbaren Vorwärmelement (14) zum Vorwärmen von Brennstoff vor dessen Verbrennung. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorwärmelement (14) Teil eines Messkreises ist, mittels dessen das Vorwärmelement (14) zur Ermittlung eines elektrischen Widerstandes mit einem elektrischen Messstrom (I¶M¶) beschickbar ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennervorrichtung für flüssigen Brennstoff, insbesondere zum Einsatz in einem Heizgerät eines Kraftfahrzeuges, mit einem elektrisch beheizbaren Vorwärmelement zum Vorheizen von Brennstoff vor dessen Verbrennung.
• Derartige Brenner, wie Sie beispielsweise aus DE 4 003 090 C1 , in der ein sogenannter Verdampfungsbrenner offenbart wird, bekannt sind, finden vielfach Anwendung als motorunabhängige Zusatzheizung in Kraftfahrzeugen. Solche Verdampfungsbrenner weisen ein poröses Verdampfungselement, z.B. ein Vlies oder einen porösen Festkörper, auf, welches über eine Brennstoffzuleitung mit flüssigem Brennstoff ge tränkt wird. Der flüssige Brennstoff verdampft an den Poren und an der Oberfläche des Verdampfungselementes und bildet mit zugeführter Verbrennungsluft ein zündfähiges Gemisch. Das Gemisch wird mittels einer elektrischen Zündvorrichtung, z.B. einem Glühstift, gezündet. Durch Steuerung der Kraftstoffzufuhr kann die Verbrennung im gewünschten Maße aufrecht erhalten werden.
• Zur Unterstützung der Verdampfung wird das Verdampfungselement häufig vorgeheizt. Zum einen wird hierdurch die Verdampfung allgemein unterstützt; zum anderen können durch die Vorheizung unabhängig von den Umgebungstemperaturen gleichbleibende Zündbedingungen gewährleistet werden.
• Bei anderen Brennertypen, sogenannten Zerstäuberbrennern wird flüssiger Brennstoff in eine Mischkammer zerstäubt, wo er mit Verbrennungsluft zur Bildung eines zündfähigen Gemisches verwirbelt wird. Zur Unterstützung der Zündfähigkeit und Vereinheitlichung der Zündbedingungen kann auch bei diesem Brennertyp der Brennstoff vorgeheizt werden, beispielsweise durch Heizung der Mischkammer selbst oder Vorheizung des zu zerstäubenden Brennstoffes.
• Es ist allgemein bekannt, den Zündvorgang von einem bestimmten Temperaturwert abhängig zu machen. Dies kann sowohl den Zeitpunkt der Zündung als auch den konkreten Zündablauf, einschließlich Zuführungssteuerung von Brennstoff und/oder Verbrennungsluft betreffen. Als relevanter Temperaturwert wird häufig die Umgebungstemperatur und/oder die Kühlmitteltemperatur eines Kraftfahrzeuges verwendet. Letzteres kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Bren nervorrichtung mit einem Wärmetauscher in thermischem Kontakt steht, der Teil des Kühlmittelkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs ist. Beide Temperaturwerte sind jedoch zur Zündungssteuerung nur bedingt geeignet. So lässt die Umgebungstemperatur nicht unbedingt einen Rückschluss auf Bauteiltemperaturen am Heizgerät zu und die Kühlmitteltemperatur des Fahrzeuges kann z.B. durch eingebaute Ventile im Kühlmittelkreislauf Temperatursprünge aufweisen, so dass auch ein an einem Ort des Kühlmittelkreislaufes gemessener Temperaturwert nicht notwendig die Temperaturen von Bauteilen im Heizgerät wiederspiegelt.
• Zudem besteht die Notwendigkeit einer Kommunikation zwischen den Sensoren für Umgebungs- und/oder Kühlmitteltemperatur und dem Steuergerät des Heizgerätes. Hier müssen verschiedene Datenprotokolle aufeinander abgestimmt werden, was insbesondere bei nachrüstbaren Heizgeräten erhebliche Probleme aufwerfen kann.
• Die alternative Verwendung zusätzlicher, in das Heizgerät eingebauter Temperaturfühler, die beispielsweise aus DE 199 24 329 A1 bekannt ist, in der separate Temperaturfühler im Glühkerzenstutzen, in der Verbrennungsluftzuführung und im Kühlmittelkreislauf des Wärmetauschers vorgesehen sind, erfordert durch zusätzliche Bauteile einen größeren Bauraum, was zu vermehrtem Platzbedarf und erhöhten Kosten führt.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Brennervorrichtung derart weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwun den werden, und insbesondere eine Brennervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ohne großen Aufwand eine Temperaturerfassung in der Brennervorrichtung selbst ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Vorwärmelement Teil eines Messkreises ist, mittels dessen das Vorwärmelement zur Ermittlung eines elektrischen Widerstandes mit einem elektrischen Messstrom beschickbar ist.
• Dieser Erfindung liegt die Idee zugrunde, dem in der Brennervorrichtung bereits vorhandenen Vorwärmelement eine Doppelfunktion zuzuweisen und es zugleich als Vorwärmelement und als Thermofühler zu benutzen. Diese Idee baut auf der Erkenntnis auf, dass die elektrischen Widerstände üblicher Vorwärmelemente stark temperaturabhängig sind. Durch Messung des elektrischen Widerstandes des Vorwärmelementes kann daher auf dessen Temperatur und somit auf die Kerntemperatur der Brennervorrichtung geschlossen werden.
• Günstigerweise ist ein Steuergerät vorgesehen, welches die Beschickung des Vorwärmelementes mit dem Messstrom steuert und den ermittelten Widerstandswert oder einen daraus abgeleiteten Wert zur Beeinflussung der Brennervorrichtungssteuerung zur Verfügung stellt. Je nach Programmierung kann der gemessene Widerstandswert selbst, ein hieraus berechneter Temperaturwert, ein aus einer Look-Up-Tabelle abgelesener Temperaturwert oder ein sonstiger, abgeleiteter Wert benutzt werden, um in bekannter Weise den Zündvorgang zu steuern.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Vorwärmelement mit elektrischen Zuleitungen verbunden ist, über die es sowohl mit einem elektrischen Heizstrom als auch mit dem Messstrom beschickbar ist. Auf diese Weise erübrigen sich nämlich gesonderte Zuleitungen zur Ausbildung des Messkreises. Beispielsweise können diese Zuleitungen das Heizgerät mit seinem Steuergerät verbinden, welches sowohl eine Stromquelle für die elektrische Beheizung des Vorwärmelementes als auch eine Stromquelle und ggf. eine Auswertungsschaltung für den Messkreis enthält.
• Vorteilhafterweise erfolgt die Beschickung des Vorwärmelementes mit Messstrom bzw. Heizstrom zeitlich getaktet. So kann beispielsweise ein schwacher Messstrom periodisch durch das Vorwärmelement geschickt werden, um beispielsweise einen geeigneten Zeitpunkt zum Start des Zündvorganges zu ermitteln. Wird etwa eine Schwellentemperatur unterschritten, wird dies anhand des ermittelten Widerstandswertes festgestellt und in den Intervallen zwischen den einzelnen Widerstandsmessungen ein wesentlich stärkerer Heizstrom durch das Vorwärmelement geleitet. Die Vorheizung kann durch weitere, periodische Widerstandsmessungen, während derer die Heizleistung kurzfristig abgeschalten wird, überwacht werden, um zu einem geeigneten Zeitpunkt die Brennstoffzufuhr, den eigentlichen Zündvorgang einzuleiten und/oder später temperaturabhängige Änderungen der Verbrennungsbedingungen anzusteuern. Die zeitliche Taktung, d.h. die Umschaltung zwischen Mess- und Heizstrom wird vorzugsweise von dem Steuergerät des Heizgerätes gesteuert.
• Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Vorwärmelement als eine elektrisch direkt heizbare Trägerplatte eines Verdampfungselementes eines Verdampfungsbrenners ausgebildet.
• Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Vorwärmelement als Wandung einer Mischkammer zur Mischung von flüssigem Brennstoff und Verbrennungsluft ausgebildet.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Vorwärmelement als elektrischer Glühkörper zur Erzeugung von Strahlungswärme ausgebildet. Dies kann beispielsweise in Verdampfungsbrennern der Fall sein, bei denen das Verdampfungselement indirekt durch einen Wärmestrahler vorgewärmt wird. Dies kann beispielsweise eine Glühkerze sein, die vorteilhafter Weise zugleich als Zündvorrichtung für das entstehende, zündfähige Gemisch dient.
• Bei einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Vorwärmelement als ein elektrisches Heizelement ausgebildet sein, welches eine Kraftstoffzuleitung umgibt. In diesem Fall erfolgt eine Vorwärmung des noch flüssigen Brennstoffs.
• Bei einer weiteren Ausführungsform befindet sich das Heizelement in der Brennstoffzuführung, insbesondere in einer von Brennstoff überströmten Hülse. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass das Heizelement direkt vom Brennstoff umströmt wird. Die Strömungsführung des Brennstoffs über die Hülse kann durch Leitelemente auf der Hülsenoberfläche (Längsriefen oder Längsrippen, Spiralrippen o.ä.) positiv beeinflusst werden. Es handelt sich um einen Ringspaltaufbau bei dem der Brennstoff von einem innen liegenden Heizelement beheizt wird.
• Natürlich sind, je nach konkreter Ausgestaltung der Brennervorrichtung auch Kombinationen der der vorgenannten Ausführungsformen denkbar, wobei jeweils von dem grundlegenden Erfindungsgedanken, dem Vorwärmelement die erfindungsgemäße Doppelfunktion zuzuweisen, Gebrauch gemacht werden kann.
• Sind mehrere erfindungsgemäße oder zusätzliche, herkömmliche Temperaturfühler vorgesehen, können die von diesen ermittelten Temperaturen zu einer Plausibilitätsprüfung der durch das Vorwärmelement gemessenen Temperaturen herangezogen werden. Weiter können auch die zusätzlichen Temperaturwerte zur Steuerung des Heizgerätes verwendet werden.
• Je nach Anordnung des in thermischem Kontakt zum Brennstoff stehenden Vorwärmelementes (thermisch von Brennerbauteilen abgekoppelt oder an diese angekoppelt) und/oder in Abhängigkeit vom Zustand der Brennstoffförderung (z.B. Aus, Teillast- oder Volllastförderung) und/oder dem Betriebszustand eines Gebläses (z.B. aus, Teillast- oder Volllastdrehzahl) kann beim passiven Betrieb des Vorwärmelementes, d.h. beim reinen Messbetrieb, eine differenzierte Aussage zur Temperatur von Brennstoff und Verbrennungsluft abgeleitet bzw. bei Werten außerhalb vordefinierter Grenzen eine Fehlermeldung erzeugt werden. Somit weist die Erfindung den zusätzlichen Vorteil einer Sicherheitsfunktion auf. Ein Beispiel sind sogenannte "Rückbrenner", die bei Verdämmung der Verbrennungsluft auftreten und zu unzulässig hohen Tem peraturen im Bereich der Brennstoff- bzw. Verbrennungsluftzuführung führen können.
• Im aktiven Heizbetrieb des erfindungsgemäßen Vorwärmelementes ist es möglich, durch Auswerten der für einen vorgegebenen Sollwert des Heizwiderstandes erforderlichen Heizleistung auf die Umgebungstemperatur bzw. Medientemperatur von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff, zu schließen. Diese Information kann dann wiederum verwendet werden, um z.B. eine von der Umgebungstemperatur abhängige Anpassung der CO₂-Einstellung der Verbrennung vorzunehmen. Das bedeutet die Gebläseleistung wird an den eingestellten Brennstoffmassenstrom angepasst. Diese Auswertung der im aktiven Heizbetrieb benötigten Heizleistung kann außerdem zur Erkennung des Brennstoff-Befüllzustandes im Bereich des Vorwärmelementes verwendet werden. Mit dieser Information kann dann der Startvorgang an den Befüllstand des Brennstoffsystems angepasst werden, was beispielsweise zur Verminderung von Russbildung oder NO_x-Bildung genutzt werden kann.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
• Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Verdampfungselementes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 1 stellt anhand eines Verdampfungselementes eines Heizgerätes, welches insbesondere für den motorunabhängigen Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
• Dargestellt ist ein mehrschichtig aufgebautes Verdampfungselement, welches den Boden einer Brennervorrichtung bildet. Das Verdampfungselement ist aufgebaut aus einer Abschlussschicht 10, einer Isolierungsschicht 12, einem elektrisch beheizbaren Vorwärmelement 14, einer Verteilerplatte 16 für flüssigen Brennstoff und einem Verdampfungskörper 18. Das Verdampfungselement bildet den Boden eines zylindrischen Brennraumes, dessen Außenwandung 20 in 1 nur einseitig dargestellt ist.
• Über eine Brennstoffzuleitung 22 wird der Verteilerplatte 16 flüssiger Brennstoff zugeführt, mit welchem ein poröser Verdampfungskörper 18 benetzt wird. Von der Oberfläche des porösen Verdampfungskörpers 18 verdampft der zugeführte Brennstoff und bildet mit ebenfalls zugeführter Verbrennungsluft (nicht dargestellt) ein zündfähiges Gemisch, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt mittels einer Zündeinrichtung 24 gezündet werden kann. Zur Unterstützung der Verdampfung ist ein Vorwärmelement 14 vorgesehen, welches als elektrisch beheizbarer Platte, die z.B. Heizwendeln tragen kann, ausgebildet ist.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Vorwärmelement 14 eine Doppelfunktion ausführt, nämlich die zuvor beschriebene Vorwärmfunktion zur Unterstützung der Brennstoff-Verdampfung und eine zusätzliche Funktion als Temperaturfühler. Hierzu ist das Vorwärmelement 14 mit einem schematisch dargestellten Steuergerät 26 verbunden. In dem Steu ergerät 26 ist eine Stromquelle 28 zur Erzeugung eines Heizstromes I_H angeordnet. Im Heizbetrieb kann die Heizstromquelle 28 über einen Schalter 30 mit dem Vorwärmelement 14 verbunden werden, so dass dieses mit einem Heizstrom beschickt wird, der ausreichend groß ist, eine schnelle Erwärmung des Vorwärmgerätes und des benachbarten Verdampfungskörpers 16 zu gewährleisten.
• In der in 1 darstellten Stellung des Schalters 30 ist das Vorwärmelement 14 hingegen mit einer zweiten Stromquelle, der Messstromquelle 32 verbunden. In dieser Schalterposition wird das Vorwärmelement 14 mit einem Messstrom I_M beschickt, der sehr viel schwächer ist als der Heizstrom. Insbesondere sollte der Messstrom so dimensioniert sein, dass durch ihn keine wesentliche Erwärmung des Vorwärmelementes 14 erzeugt wird. In 1 nicht gesondert dargestellt ist eine Messvorrichtung, mit der in Kenntnis der Messstromquellen-Parameter anhand des Messstroms in üblicher Weise auf den elektrischen Widerstand des Vorwärmelementes 14 geschlossen werden kann. Da der elektrische Widerstand üblicher elektrisch leitfähiger Materialien, insbesondere Metalle, stark von deren Temperatur abhängt, kann aus dem gemessenen elektrischen Widerstand des Vorwärmelementes auf dessen Temperatur geschlossen werden.
• Da eine derartige Widerstandmessung sehr schnell erfolgen kann, ist es möglich, die Temperatur des Vorwärmelementes auch während des aktiven Heizens zu überwachen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies, indem der Schalter 30, der das Vorwärmelement 14 im Heizbetrieb mit der Heizstromquelle 28 verbindet, kurzfristig umgelegt wird, damit das Vorwärmelement 14 kurzfristig mit dem Messstrom aus der Messstromquelle 32 beschickt werden kann. Im Anschluss wird der Schalter 30 in die Heizposition zurückgelegt.
• Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist besonders günstig, da eine zusätzliche Zuleitung zur Verbindung zwischen Vorwärmelement 14 und Messstromquelle 32 nicht erforderlich ist.
• Alternativ kann auch eine kombinierte Mess-/Heizstromquelle vorgesehen sein, deren Parameter überwacht und zur Widerstandsmessung herangezogen werden. Die Stromstärke kann zwischen Mess- und Heizperioden verändert werden. Es ist allerdings auch möglich, den Heizstrom selbst als Messstrom zu verwenden, was jedoch wegen der damit verbundenen Aufheizung des Vorwärmelementes zu Messwertverfälschungen führen könnte.
• Natürlich stehen dem Fachmann im Rahmen der Erfindung weitreichende Variationsmöglichkeiten zur Verfügung. Insbesondere ist die spezielle Ausführungsform des Heizgerätes oder des Vorwärmelementes nicht auf im Rahmen der speziellen Beschreibung erläuterte und in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr kann das Vorwärmelement, dem die erfindungsgemäße Doppelfunktion als Thermofühler zugewiesen ist, auch als Wärmestrahlenquelle, Mischkammerwandung oder auf andere Weise ausgeführt sein. Auch die in 1 dargestellte Doppelnutzung der elektrischen Zuleitung ist Rahmen der Erfindung nicht zwingend erforderlich.

10

Deckelplatte

12

Isolierschicht

14

Vorwärmelement

16

Verteilerplatte

18

Verdampfungskörper

20

Brennerwand

22

Brennstoffzuleitung

24

Zündeinrichtung

26

Steuergerät

28

Heizstromquelle

30

Schalter

32

Messstromquelle

I_H

Heizstrom

I_M

Messstrom

Claims (10)

1. Brennervorrichtung für flüssigen Brennstoff, insbesondere zum Einsatz in einem Heizgerät eines Kraftfahrzeugs, mit einem elektrisch beheizbaren Vorwärmelement (14) zum Vorwärmen von Brennstoff und/oder brennstoffführenden Bauteilen vor der Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement (14) Teil eines Messkreises ist, mittels dessen das Vorwärmelement (14) zur Ermittlung eines elektrischen Widerstandes mit einem elektrischen Messstrom (I_M) beschickbar ist.
2. Brennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (26) vorgesehen ist, welches die Beschickung des Vorwärmelementes (14) mit dem Messstrom (I_M) steuert und den ermittelten Widerstandswert oder einen daraus abgeleiteten Wert zur Beeinflussung der Brennervorrichtungssteuerung zur Verfügung stellt.
3. Brennervorrichtung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement (14) mit elektrischen Zuleitungen verbunden ist, über die es sowohl mit einem elektrischen Heizstrom (I_H) als auch mit dem Messstrom (I_M) beschickbar ist.
4. Brennervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickung des Vorwärmelementes (14) mit Heizstrom (I_H) und mit Messstrom (I_M) zeitlich abwechselnd erfolgt.
5. Brennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement (14) als eine elektrisch direkt heizbare Trägerplatte eines Verdampfungselementes eines Verdampfungsbrenners ausgebildet ist.
6. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement als Wandung einer Mischkammer zur Mischung flüssigen Brennstoffes und Verbrennungsluft ausgebildet ist.
7. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement als elektrischer Glühkörper zur Erzeugung von Strahlungswärme ausgebildet ist.
8. Brennervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper als Zündvorrichtung zur Zündung verdampften Brennstoffes dient.
9. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement als ein eine Brennstoffzuleitung umgebendes Heizelement ausgebildet ist.
10. Brennervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmelement als ein von Brennstoff umströmtes Heizelement ausgebildet ist.