DE10320920B4

DE10320920B4 - Heizgerät mit einer Abgasabführung

Info

Publication number: DE10320920B4
Application number: DE10320920A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Erbacher
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2023-05-10
Also published as: DE10320920A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (10) mit einem Brenner (16), einer Brennluftzuführung (12) für Brennluft und einer Abgasabführung (20) für Brenngase, mit den Schritten: Rückführen von einem Teil der Brenngase aus der Abgasabführung (20) in die Brennluftzuführung (12) und Steuern der durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas,
gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln der Temperatur des Brenngases und Steuern der durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur; und
Rückführen von Brenngasen während der Startphase des Heizgeräts (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Betrieben eines Heizgerätes und ein Heizgerät gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6.
Heizgeräte der oben genannten Art sind insbesondere für mobile Anwendungen konzipiert und dienen beispielsweise bei Kraftfahrzeugen als Zusatzheizeinrichtung zum Vorwärmen von Kühlwasser eines Verbrennungsmotors oder als Standheizeinrichtung zum Beheizen eines Fahrgastraumes.
Die Heizgeräte weisen jeweils einen Brenner auf, zu dem mit Hilfe einer Brennluftzuführung Brennluft und mit Hilfe einer Brennstofffördereinrichtung insbesondere flüssiger Brennstoff gefördert werden kann. Brennluft und Brennstoff werden im Brenner gemischt und verbrannt. Aus dem Brenner treten nachfolgend Brenngase aus, die zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgers dienen. Die Brenngase werden durch eine Abgasabführung an die Umgebung des Heizgerätes abgeführt.
Bekannte Heizgeräte weisen den Nachteil auf, dass insbesondere im Zusammenspiel mit schwer verdampfbaren Brennstoffen und tiefen Temperaturen ausgeklügelte Warmlauf-Phasen vorgesehen werden müssen, damit auch während des Starts des jeweiligen Heizgerätes die geforderten Emissionswerte eingehalten werden können.
Aus US 5,616,021 A ist ein Brennstoffheizgerät mit einem Brenner bekannt, bei dem eine Abgaszirkulationseinrichtung ein in einem Brenner durch Verbrennung von Luft-Brennstoffgemisch erzeugtes Abgas zu einer Luftzuführleitung zirkuliert. Eine Steuereinrichtung erhöht die Menge des zirkulierenden Abgases, wenn die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge verringert wird. Dies geschieht insbesondere, indem die Förderleistung eines Brennluftgebläses unabhängig von einer Änderung der Menge an Brennstoff konstant gehalten wird. Ferner geschieht die Regelung der Abgaszirkulation derart, dass die mit Hilfe einer Sauerstoffdichtemesseinrichtung ermittelte Menge an Sauerstoff, welche dem Brenner zugeführt wird, für ein gewünschtes Luft-Brennstoffverhältnis passt.
Aus US 6,260,545 B1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Brennstoffheizgerät bekannt, bei dem eine Ableitung von Brennluft in eine Abgasleitung des Heizgerätes vorgesehen ist. Die Menge an abgeleiteter Brennluft wird mit Hilfe eines Ventils gesteuert, welches solange geöffnet ist, wie eine Zündeinrichtung des Brennstoffheizgeräts betrieben wird.
Aus US 2,191,178 A ist ein Heizgerät bekannt, bei dem in eine Brennkammer mit Hilfe einer Ventileinrichtung kurzfristig eine große Menge Luft zugeführt werden kann. Dieses Zuführen von Luft soll zu einer schnellen Abkühlung im Brenner führen und geschieht, indem die Ventileinrichtung durch ein U-förmiges Bimetall-Element betätigt wird.
Auch in den Druckschriften DE 1 247 530 A , DE 100 24 003 A1 , US 3,934,969 A und US 5,340,020 A werden Heizgeräte beschrieben, an denen teilweise eine Abgasrückführung erfolgen soll.
In DE 199 25 915 A1 ist ein Heizgerät für ein Fahrzeug beschrieben: Das Heizgerät weist einen Wärmetauscher zum Erwärmen von Luft, die in eine Fahrgastzelle geblasen wird, unter Verwendung von Kühlwasser zum Kühlen eines Motors als Wärmequelle, und einen Brenner zum Erwärmen von Kühlwasser auf, das in den Wärmetauscher strömt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Heizgerät bereitzustellen, so dass das Heizgerät insbesondere während der Startphase verhältnismäßig geringe Emissionswerte aufweist. Insbesondere soll bei tiefen Temperaturen und schwer verdampf- und entflammbaren Brennstoffen der Startablauf beschleunigt werden.
Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 und Nebenanspruch 6 angegeben.
Erfindungsgemäß ist bei einem Heizgerät eine Rückführung eines Teils des Brenngases bzw. Abgases in die Brennluftzuführung bzw. den Ansaugtrakt des Heizgerätes vorgesehen. Die Rückführung des Brenngases führt zu einer Erhöhung der Temperatur der Brennluft, zu einer schnelleren Erwärmung der Brennerstruktur und damit zu einem schnelleren Durchzünden einer Pilotflamme im Brenner.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei herkömmlichen Brennern die Brennluft bzw. Ansaugluft in der Regel verhältnismäßig kalt ist und es daher insbesondere während der Warmlauf-Phase zu einer teilweise ungenügenden Verdampfung und Verbrennung von Brennstoff kommen kann. Durch teilverbrannte Brennstoffe im Abgas steigen die Emissionswerte entsprechend an. Die erfindungsgemäße Rückführung führt zu einer Nachverbrennung zumindest eines Teils dieser Brennstoffe und reduziert auch dadurch die Emissionswerte des Heizgerätes.
Die Erfindung beschleunigt das Starten des Heizgerätes und reduziert darüber hinaus negative Begleiterscheinungen wie Qualm oder Geruch. Ferner ist die Ge fahr eines Flammabbruchs während der Startphase verhältnismäßig klein. Bei einem erfindungsgemäßen Heizgerät sind verhältnismäßig wenige Wiederholungen beim Zünden notwendig. Dies schont die beim Zünden betroffenen Bauteile, wie beispielsweise Glühstift und Flammwächter, und führt zu einer geringeren thermischen Wechselbelastung des gesamten Brenners. Ferner verbessert sich der Einsatzbereich des Heizgerätes für relativ schwer entzündbare Brennstoffe (RME) zu tieferen Temperaturen hin. Auch das Startverhalten des Heizgerätes bei einem Betrieb in großer Höhe mit relativ geringer Luftdichte wird positiv beeinflusst.
Gemäß der Erfindung ist in der Rückführung ein Ventil, insbesondere in Form einer Klappe, zum Steuern der pro Zeiteinheit durch die Rückführung geleiteten Menge Brenngas vorgesehen. Mit dem Ventil kann gezielt die Zusammensetzung der zum Brenner geführten Luft, die sich erfindungsgemäß aus frischer Brennluft und rückgeführtem Abgas zusammensetzt, beeinflusst und verändert werden. Da sich diese Steuerung auch auf den Sauerstoffgehalt der Brennluft auswirkt, wird vorteilhaft die Brennstoffdosierung oder die Brennluftförderung (z. B. die Leistung eines Brennluftgebläses) nachgeregelt, um ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft zu bewahren.
Die Steuerung des Ventils erfolgt vorteilhaft elektronisch. Alternativ sind preiswertere und robustere Steuervarianten mit einem Memory-Metall-Aktuator oder einem Dehnstoff-Element bzw. Bimetall-Element möglich und sinnvoll. Dehnstoff-Elemente sind grundsätzlich aus PKW-Thermostaten bekannt. Mit Hilfe solcher nicht-elektronischer Steuervarianten kann besonders einfach die Temperatur des Brenngases ermittelt und das Ventil in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur gesteuert bzw. geregelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft ein Sensor zum Ermitteln des Sauerstoffgehalts des Brenngases und/oder der Brennluft zum Einsatz kommen, um das Ventil in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoffgehalts zu steuern bzw. zu regeln.
Die erfindungsgemäße Rückführung für einen Teil der Brenngase ist ferner vorteilhaft als separates Modul am Heizgerät ausgebildet ist. Ein solches Modul kann auch bei bestehenden Heizgeräten nachgerüstet werden. Alternativ kann die erfindungsgemäße Abgasrückführung direkt in das Heizgerät integriert sein.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Heizgerät ferner optimiert werden, indem die weiteren Baugruppen des Heizgerätes auf die erfindungsgemäße Ab gasrückführung abgestimmt werden. Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn ein Gebläse zum Zuführen von Brennluft zum Brenner und eine Einrichtung zum Anheben der Förderleistung des Gebläses während des Rückführens von Brenngas vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Rückführung von einem Teil des Abgases ist besonders gewinnbringend bei Heizgeräten einsetzbar, deren Brenner Brennstoff vor der Verbrennung zu einem Spray oder Nebel aufarbeitet, insbesondere durch eine Hochdruck-Spraydüse oder ein Niederdruck-System mit einer Venturi- oder Prefilming-Düse versehen ist.
Darüber hinaus ist die Erfindung besonders für solche Heizgeräte geeignet, deren Brenner zum Verbrennen von schwer verdampfbaren Brennstoffen, insbesondere von PME oder RME eingerichtet ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizgerätes anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Heizgerätes.
In 1 ist ein Heizgerät 10 veranschaulicht, das als wesentliche Baugruppen eine Brennluftzuführung 12, eine Brennstoffzuführung 14, einen Brenner 16, einen Wärmeübertrager 18 und eine Abgasabführung 20 aufweist.
Die Brennluftzuführung 12 ist mit einem Brennluftkanal 22 gestaltet, in den hinein aus der Umgebung des Heizgerätes 10 durch eine Brennlufteinlassöffnung 24 hindurch Brennluft von einem Brennluftgebläse 26 angesaugt werden kann. Stromabwärts vom Brennluftgebläse 26 befindet sich in dem Brennluftkanal 22 ein Sensor 28 zum Ermitteln des Sauerstoffgehalts der Brennluft.
Der Brennluftkanal 22 führt in eine kreiszylindrische Brennkammer 30 des Brenners 16. Die Brennkammer 30 ist durch eine Ringwand bzw. einen Einschnürring 32 von einer Nachbrennkammer 34 getrennt. Aus der Nachbrennkammer 34 führt ein becherförmiger Brenngaskanal 36 zu einer Brenngasauslassöffnung 38. Die Brennkammer 30, die Nachbrennkammer 34, der Brenngaskanal 36 und die Brenngasauslassöffnung 38 bilden zusammen die Abgasabführung 20 des Heizgerätes 10.
Der Brenngaskanal 36 ist von dem Wärmeübertrager 18 umgeben, der ebenfalls becherförmig mit einem Wärmeträgerkanal 40 für einen flüssigen Wärmeträger gestaltet ist. In den Wärmeträgerkanal 40 führt eine Wärmeträgereinlassöffnung 42 hinein und eine Wärmeträgerauslassöffnung 44 heraus.
Zwischen dem Brenngaskanal 36 und der Saugseite des Brennluftgebläses 26 ist eine Rückführung 46 ausgebildet. Die Rückführung 46 ermöglicht es, dass ein Teil des im Brenner entstehenden Brenngases in den Brennluftkanal 22 hinein geführt wird. Das Rückführen von Brenngasen erfolgt insbesondere während einer Startphase des Heizgerätes 10.
Zur Steuerung der pro Zeiteinheit rückgeführten Brenngasmenge ist die Rückführung 46 mit einem Rückführkanal 48 ausgebildet, in dem ein Ventil 50 in Gestalt einer fernsteuerbaren Klappe angeordnet ist. Die Klappe bzw. das Ventil 50 kann mit einer nicht veranschaulichten Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem vom Sensor 28 ermittelten Sauerstoffgehalt der Brennluft gesteuert werden. Ferner ist eine Steuerung bzw. Regelung des Ventils 50 auf der Grundlage der Temperatur des Brenngases in der Brennkammer 30, in der Nachbrennkammer 34 und/oder im Brenngaskanal 36 möglich.

10: Heizgerät
12: Brennluftzuführung
14: Brennstoffzuführung
16: Brenner
18: Wärmeübertrager
20: Abgasabführung
22: Brennluftkanal
24: Brennlufteinlassöffnung
26: Brennluftgebläse
28: Sensor
30: Brennkammer
32: Ringwand
34: Nachbrennkammer
36: Brenngaskanal
38: Brenngasauslassöffnung
40: Wärmeträgerkanal
42: Wärmeträgereinlassöffnung
44: Wärmeträgerauslassöffnung
46: Rückführung
48: Rückführkanal
50: Ventil

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (10) mit einem Brenner (16), einer Brennluftzuführung (12) für Brennluft und einer Abgasabführung (20) für Brenngase, mit den Schritten: Rückführen von einem Teil der Brenngase aus der Abgasabführung (20) in die Brennluftzuführung (12) und Steuern der durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas, gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln der Temperatur des Brenngases und Steuern der durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur; und Rückführen von Brenngasen während der Startphase des Heizgeräts (10).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln des Sauerstoffgehalts der Brennluft und/oder des Brenngases und Steuern der durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoffgehalts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt: Erhöhen der Förderleistung eines Gebläses (26) das Brennluft zum Brenner (16) fördert, während des Rückführens von Brenngas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Brenner (16) Brennstoff vor der Verbrennung zu einem Spray oder Nebel aufarbeiten kann, insbesondere durch eine Hochchdruck-Spraydüse oder ein Niederdruck-System mit einer Venturi- oder Prefilming-Düse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Brenner (16) für schwer verdampfbare Brennstoffe, insbesondere für PME oder RME vorgesehen ist.
Heizgerät (10), eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Heizgerät (10) nach Anspruch 6, mit einem Brenner (16), einer Brennluftzuführung (12) für Brennluft, einer Abgasabführung (20) für Brenngase und einer Rückführung (46) für einen Teil der Brenngase aus der Abgasabführung (20) in die Brennluftzuführung (12), bei dem in der Rückführung (46) ein Ventil (50), insbesondere in Form einer Klappe, zum Steuern der pro Zeiteinheit durch die Rückführung (46) geleiteten Menge Brenngas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Steuern des Ventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Brenngases vorgesehen ist.
Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als eine elektronische Steuerung zum Steuern des Ventils (50) gestaltet ist.
Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als ein Memory-Metall-Aktuator zum Steuern des Ventils (50) gestaltet ist.
Heizgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein Dehnstoff-Element zum Steuern des Ventils (50) gestaltet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (28) zum Ermitteln des Sauerstoffgehalts des Brenngases und/oder der Brennluft und ferner eine Einrichtung zum Steuern des Ventils (50) in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoffgehalts vorgesehen sind.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (46) für einen Teil der Brenngase als separates Modul am Heizgerät (10) ausgebildet ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse (26) zum Zuführen von Brennluft zum Brenner (16) und eine Einrichtung zum Anheben der Förderleistung des Gebläses (26) während des Rückführens von Brenngas vorgesehen sind.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (16) mit einer Venturi-Düse versehen ist.
Heizgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (16) zum Verbrennen von schwer verdampfbaren Brennstoffen, insbesondere von PME oder RME eingerichtet ist.