DE19524260A1 - Heizgerät, insbesondere zur Innenraumheizung eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Heizgerät, insbesondere zur Innenraumheizung eines Kraftfahrzeuges

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Description

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 K₁ und K₂ zeigen beispielhaft zwei gewünschte Temperaturverläufe am Überhitzungsfühler 14 in Abhängigkeit von der Zeit t. Im Falle der Kurve K₁ wird der Brennbetrieb des Heizgerätes bei einer relativ niedrigen Temperatur T₁ eingeschaltet, während im Falle der Kurve K₂ der Betrieb bei einer vergleichsweise deutlich höheren Temperatur T₂ einsetzt. Im Falle der niedrigen Ausgangstemperatur T₁ 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 G₁ und G₂ veranschaulicht, die die Kurven K₁ 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 hindurchläuft, können geringfügige Änderungen der Meßwerte durch Störeinflüsse zu keiner nennenswerten Veränderung der Steigung der Geraden Si, Sj usw. führen.
Andererseits liegen aufeinander folgende Werte für den Temperaturgradienten zeitlich dicht hintereinander, denn der zeitliche Abstand zwischen aufeinander folgenden 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 Überhitzungssicherung berücksichtigt werden und insbesondere bei geringem Tempera­ turniveau, 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 (4)

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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, 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.
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