DE4446829A1 - Fahrzeugheizgerät mit Überhitzungs-Überwachungseinrichtung - Google Patents
Fahrzeugheizgerät mit Überhitzungs-ÜberwachungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungs
luftgebläse und einer Brennstoffdosiereinrichtung, die Verbrennungsluft
und Brennstoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr
eine Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher, der über einen Gasmantel
von dem das Flammrohr aufnehmenden Raum getrennt ist, und durch
den ein Wärmeträger, z. B. Wasser, gepumpt wird, einem Wärmeträger-
Temperaturfühler, der die Wärmeträgertemperatur mißt, einem
Steuergerät, welches den Betrieb des Fahrzeugheizgeräts in Abhängigkeit
zumindest von der gemessenen Wärmeträgertemperatur regelt, und einer
Überhitzungs-Überwachungseinrichtung, die auf eine drohende
Überhitzung am Wärmetauscher anspricht, um den Betrieb des Geräts
durch Sperren der Brennstoffzufuhr stillzusetzen oder andere
Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Derartige Fahrzeugheizgeräte, häufig auch als Standheizung oder Zusatz
heizung bezeichnet, finden in Personenkraftwagen, Lastkraftwagen,
Omnibusen, Motoryachten, Kleinflugzeugen, Wohnwagen, Baumaschi
nen und dergleichen Anwendung. Als Brennstoff dient Benzin oder
Diesel, welches dem Kraftstoffvorrat des Fahrzeugs oder einem Zusatz
tank entnommen wird. Als Wärmeträger dient üblicherweise Wasser,
welches von einer Wasserpumpe durch den Wärmetauscher und einen
Heizkreislauf gepumpt wird, um einem oder mehreren Heizkörpern
(Fahrzeug-Wärmetauschern) Wärmeenergie zuzuführen. Man kann auch
Luft als Wärmeträger verwenden.
Bei diesen Fahrzeugheizgeräten dient der Wärmeträger-Temperaturfühler
als Meßwertaufnehmer zum Ermitteln der Ist-Temperatur des Wärme
trägers, welche in dem Steuergerät mit einer Solltemperatur verglichen
wird, um den Betrieb des Fahrzeugheizgeräts zu regeln. Das üblicher
weise mit einem Mikroprozessor ausgestattete Steuergerät regelt die
Wärmeträgertemperatur auf einen konstanten Wert ein, indem es den
Brenner ein- und ausschaltet. Dies geschieht durch Ein- und Ausschalten
der üblicherweise als Brennstoffdosierpumpe ausgebildeten Brennstoff
dosiereinrichtung und des Verbrennungsluftgebläses, und/oder durch eine
solche Ansteuerung der Brennstoffdosierpumpe, daß eine bestimmte
Brennerleistung erreicht wird.
Aus Sicherheitsgründen besitzen diese Fahrzeugheizgeräte eine Über
hitzungs-Überwachungseinrichtung, die abhängig von der Temperatur am
Wärmetauscher arbeitet.
Aus der DE 30 31 410 ist ein Fahrzeugheizgerät bekannt, bei dem das
Steuergerät einen Mikroprozessor enthält, der neben einem Steuerpro
gramm auch Parameter und Schwellenwerte für die Regelung speichert.
Die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung ist dort derart ausgebildet,
daß der Mikroprozessor ein Signal von einem Überhitzungssensor em
pfängt, um dieses Signal mit einem Überhitzungs-Schwellenwert zu
vergleichen. Wo der Überhitzungs-Sensor angebracht ist und wie er
ausgebildet ist, ist in der Druckschrift nicht gesagt.
Früher war es üblich, die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung als
Schalter oder Schmelzsicherung auszubilden. Die Schmelzsicherung bzw.
der Schalter spricht auf eine erhöhte Wärmetauschertemperatur im Be
reich des hinteren Endes des Flammrohrs an, um gegebenenfalls den
Stromkreis für die Brennstoffdosierpumpe zu unterbrechen. Nachteile
derartiger Überwachungseinrichtungen sind darin zu sehen, daß die
Schmelzsicherung gegebenenfalls ausgetauscht werden bzw. der Schalter
zurückgestellt werden muß. Dies ist mühsam. Vermieden werden diese
Nachteile durch die oben angegebene Maßnahme, einen Sensor vorzuse
hen, um dessen Ausgangssignal mit einem Schwellenwert zu verglei
chen.
Wird ein Fahrzeugheizgerät in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise
einem PKW, installiert, so wird das Gerät in den Kühl-/Heiz-Wasser
kreislauf des Fahrzeugs integriert. Zu dem Fahrzeugheizgerät ist eine
Bypass-Leitung gelegt, um bei abgeschaltetem Fahrzeug-Wärmetauscher
(Heizkörper), also dann, wenn keine Wärmeabnahme erfolgt, ein Zirku
lieren des Wärmeträgers in dem Wärmetauscher des Fahrzeugheizgeräts
zu gewährleisten. Die Wassereintrittstemperatur entspricht dann nahezu
der Wasseraustrittstemperatur am Fahrzeugheizgerät. Wenn der Brenner
in Betrieb ist, steigt diese Temperatur relativ schnell an, so daß bei dem
kurze Zeit später erfolgenden Überschreiten eines für den Regelbetrieb
eingerichteten Schwellenwerts eine Abschaltung des Heizgeräts erfolgt.
Will man - aus Kostengründen - auf die Bypass-Leitung verzichten, so
geht, wenn keine Wärmeabfuhr aus dem Wärmeträger-Kreislauf erfolgt,
weil z. B. die Fahrzeugheizung abgeschaltet ist, der Wärmeträger
durchsatz im Heizgerät praktisch auf Null zurück. In dieser Situation
steigt die Temperatur in dem im Wärmetauscher des Fahrzeugheizgeräts
befindlichen Wärmeträger rasch an, außerdem steigt die Temperatur an
dem den Brennerraum im Bereich des Flammrohrs umgebenden Gas
mantel relativ schnell an.
Dieses extrem schnelle Ansteigen der Temperatur am Gasmantel muß
zur Vermeidung einer gefährlichen Überhitzung auf jeden Fall vermie
den werden. Deshalb ist es notwendig, die Gefahr einer solchen Über
hitzung möglichst früh zu erkennen, um Gegenmaßnahmen einleiten zu
können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugheizgerät der
oben genannten Art anzugeben, bei dem insbesondere bei geringem
Wärmeträgerdurchsatz im Wärmetauscher eine Überhitzung mit Sicher
heit ausgeschlossen wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung alternativ verschiedene
Möglichkeiten vor, wobei einerseits eine "Früherkennung" eines mit
hoher Wahrscheinlichkeit zu erwartenden Überhitzungszustands realisiert
wird, andererseits durch ein redundantes System die Sicherheit einer
rechtzeitigen Abschaltung des Geräts bei Gefahr einer Überhitzung
erreicht wird. Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung wird ein
Temperaturfühler geschaffen, der sich für den Einsatz in einem Fahr
zeugheizgerät der hier in Rede stehenden Art besonders gut eignet.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Überhitzungs-Über
wachungseinrichtung mit einem Überhitzungs-Temperaturfühler
ausgestattet, von welchem ein Signal abgeleitet wird, das bei Überschrei
tung eines Schwellenwerts das Zustandekommen eines Überhitzungszustands
bedeutet, zu dessen Verhinderung der Überhitzungs-Tempera
turfühler in der Nähe des Flammrohrendes in Berührung mit dem Gas
mantel des Wärmetauschers des Fahrzeugheizgeräts angeordnet ist,
wobei das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des Überhitzungs-Tempe
raturfühlers ein Gradientensignal erzeugt, welches mit dem Schwellen
wert verglichen wird, oder das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des
Überhitzungs-Temperaturfühlers und dem Ausgangssignal des
Wärmeträger-Temperaturfühlers einen Differenzwert bildet, um diesen
Differenzwert mit einem Differenz-Schwellenwert zu vergleichen. Diese
beiden Maßnahmen, also entweder die Verwendung eines Gradienten-
Schwellenwerts oder die Verwendung eines Differenz-Schwellenwerts,
können auch kombiniert werden, wobei der Fall einer Überhitzung dann
angenommen wird, wenn eine der beiden Schwellenwerte überschritten
wird.
Wenn man - wie oben ausgeführt - bei einem Fahrzeugheizgerät auf die
früher übliche Bypass-Leitung verzichtet, also die Gefahr besteht, daß
der Wärmeträger-Durchsatz bei abgeschaltetem Fahrzeug-Wärmetauscher
gegen Null tendiert, so wird von dem erfindungsgemäß angeordneten
Überhitzungs-Temperaturfühler an das Steuergerät ein Signal geliefert,
aus dem das Steuergerät ein Gradientensignal (zeitliche Ableitung der
Temperatur nach der Zeit) bilden kann. Hat dieser Temperaturgradient
einen einen Gradienten-Schwellenwert überschreitenden Wert, so
signalisiert dies, daß sich die Temperatur am Wärmetauscher so schnell
erhöht, daß mit einer alsbaldigen Überhitzung zu rechnen ist. Wird der
Gradienten-Schwellenwert überschritten, erfolgt z. B. die Abschaltung
des Heizgeräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr. Erfindungsgemäß
spricht der Überhitzungs-Temperaturfühler also nicht erst auf das
Erreichen eines Absolut-Schwellenwerts an, sondern spricht auf die
Geschwindigkeit an, mit der sich die Temperatur am Wärmetauscher
ändert. Dies entspricht dem Früherkennen einer Temperaturände
rungstendenz. Eine Überhitzung wird also im Fall eines Wärmeträger-
Stillstands im Heizgerät zuverlässig verhindert.
Besonders vorteilhaft ist diese Früherkennung dann, wenn erfindungs
gemäß der Wärmeträger-Temperaturfühler - wie auch im Stand der
Technik an sich bekannt - in der Nähe des Wärmeträgereintritts, d. h. bei
einem Gerät mit Wasser als Wärmeträger, wassereintrittsseitig bezüglich
des Wärmetauschers des Fahrzeugheizgeräts angeordnet ist. Dadurch,
daß der für die Regelung zuständige Wärmeträger-Temperaturfühler
wassereintrittsseitig am Wärmetauscher angeordnet ist, ist eine kom
fortable Regelung der gewünschten, durch das Fahrzeugheizgerät bereit
gestellten Temperatur möglich. Die wassereintrittsseitige Temperatur im
Wärmetauscher ist deutlich besser repräsentativ für die Verhältnisse am
fahrzeugsseitigen Wärmetauscher (Heizkörper) als die Temperatur am
Wasseraustrittsende des Fahrzeugheizgerät-Wärmetauschers. Die Rege
lung ist folglich stabiler.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Überhitzungs-Überwa
chungseinrichtung in der oben beschriebenen Form besteht außerdem die
Möglichkeit, daß das Steuergerät die Funktion des Wärmetemperatur-
Temperaturfühlers einerseits und die Funktion des Überhitzungs-Tempe
raturfühlers andererseits überwacht, indem erfindungsgemäß der von
dem Wärmeträger-Temperaturfühler gelieferte Temperaturwert mit dem
von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert
verglichen wird, um bei Feststellen einer Überschreitung eines vorgege
benen Differenzbetrags z. B. eine Störabschaltung zu veranlassen. Diese
Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der beiden Temperaturfühler wird
vorzugsweise im Normalbetrieb durchgeführt, d. h. bei zirkulierendem
Wärmeträger. In diesem Fall ist die Differenz zwischen dem von dem
Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert und dem von
dem Wärmeträger-Temperaturfühler gelieferten Temperaturwert in rela
tiv engen Grenzen konstant, wobei der von dem Überhitzungs-Tempera
turfühler gelieferte Wert etwas höher liegt als der andere Wert. Ergibt
sich nun eine extrem starke Abweichung zwischen diesen beiden Werten
(der vom Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferte Wert ist z. B. sehr
viel höher oder sehr viel niedriger als der vom Wärmeträger-Tempera
turfühler gelieferte Wert), so bedeutet dies, daß einer der beiden Tempe
raturfühler defekt ist, oder daß ein Überhitzungsfall vorliegt oder kurz
bevorsteht, z. B. aufgrund fehlenden Wassers oder behinderten
Wasserdurchsatzes. Aus Sicherheitsgründen erfolgt dann eine Stör
abschaltung.
Die Auswertung des von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten
Werts erfolgt in dem Steuergerät. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist darin zu sehen, daß zusätzlich oder redundant bezüglich
der Auswertung des Überhitzungstemperaturfühler-Ausgangssignals in
dem Steuergerät eine direkte Abschaltung des Brenners durch das von
dem Überhitzungs-Temperaturfühler kommende Signal erfolgt. Hierzu
sieht die Erfindung vor, daß das Steuergerät einen Mikroprozessor ent
hält, dem die Meßsignale von dem Wärmeträger-Temperaturfühler und
dem Überhitzungs-Temperaturfühler zur Auswertung zugeführt werden,
und daß parallel zu dem Mikroprozessor ein einen Schwellenwertschalter
enthaltender Stromkreis liegt, wobei das Ausgangssignal des Schwellen
wertschalters die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner sperrt oder zur
Einleitung anderer Gegenmaßnahmen genutzt wird.
Durch obige Maßnahme wird eine wesentlich erhöhte Zuverlässigkeit
gegenüber der bloßen Auswertung des von dem Überhitzungs-Tempera
turfühler kommenden Signals durch das Steuergerät erreicht. Dadurch,
daß der Schwellenwertschalter parallel zu dem die Auswertung des
Signals von dem Überhitzungs-Temperaturfühler vornehmenden Mikro
prozessors geschaltet ist, ist eine erhöhte Sicherheit deshalb gegeben,
weil die Abschaltung des Geräts entweder aufgrund der Auswertung der
Signale durch den Mikroprozessor oder durch den Schwellenwertschalter
stattfindet.
Insbesondere kann der Mikroprozessor einen Überhitzungszustand daran
erkennen, ob sich die beiden Temperaturwerte gleichsinnig ändern, ob
ein Mindesttemperaturabstand beider Fühler gegeben ist, und ob der
Wärmeträger-Temperaturfühler nicht einen höheren Temperaturwert
liefert als der Überhitzungs-Temperaturfühler.
Wie oben erläutert, kann man die von dem Wärmeträger-
Temperaturfühler und die von dem Überhitzungs-Temperaturfühler
gelieferten Meßsignale zu einem Gradientensignal auswerten. Diese
Auswertung erfolgt in dem Mikroprozessor. Anstatt nun ein
Gradientensignal zu bilden und dieses mit einem Gradienten-
Schwellenwert zu vergleichen, kann der Mikroprozessor in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform aus den beiden Meßsignalen
einen Differenzwert bilden, um diesen Differenzwert mit einem
Differenz-Schwellenwert zu vergleichen. Hierbei wird die Erkenntnis
genutzt, daß die von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gemessene
Temperatur im Normalbetrieb nicht allzu stark von der Temperatur
abweicht, die am Überhitzungs-Temperaturfühler gemessen wird.
Insbesondere dann, wenn der Wärmeträger-Temperaturfühler am
Wasseraustrittsstutzen angeordnet ist, was unten noch näher erläutert
wird, ist der Vergleich der Differenz zwischen den von den beiden
Temperaturfühlern gelieferten Meßwerten mit einem Differenz-
Schwellenwert besonders effektiv. Weichen die beiden Signale um mehr
als den Differenz-Schwellenwert voneinander ab, so bedeutet dies mit
einiger Wahrscheinlichkeit, daß eine Überhitzung vorliegt oder kurz
bevorsteht.
Wie oben erwähnt, kann durch einen Vergleich der von den beiden
Temperaturfühlern gelieferten Meßwerte auch eine Funktionsprüfung der
Temperaturfühler vorgenommen werden, wichtiger ist jedoch das
Erkennen eines Überhitzungszustands auf Grund einer Überschreitung
des Differenz-Schwellenwerts.
In einer speziellen schaltungstechnischen Variante sieht die Erfindung
vor, daß für die Brennstoffdosiereinrichtung eine Treiberschaltung vor
gesehen ist, der von dem Steuergerät Treiberimpulse für den getakteten
Betrieb der Brennstoffdosiereinrichtung zugeführt werden, und daß der
Ausgang des Schwellenwertschalters mit einem Eingang eines logischen
Verknüpfungsglieds verbunden ist, dessen anderem Eingang die Treiber
impulse zugeführt werden. Sobald der Schwellenwertschalter auf ein
einen bestimmten Wert übersteigendes Temperatursignal von dem Über
hitzungs-Temperaturfühler anspricht, wird das Verknüpfungsglied ge
sperrt, so daß keine Zufuhr von Treiberimpulsen zu der Brennstoffdo
siereinrichtung erfolgt.
Zweckmäßigerweise werden die Temperaturfühler als PTC-Elemente
oder NTC-Elemente ausgebildet, d. h. als Elemente, die einen positiven
bzw. negativen Temperaturkoeffizienten besitzen. Diese Elemente
erhöhen bzw. verringern ihren elektrischen Widerstand bei zunehmender
Temperatur.
Die Anordnung des Wärmeträger-Temperaturfühlers an der Wasserein
trittsseite des Wärmetauschers ermöglicht eine komfortable und stabile
Regelung, wie oben näher erläutert ist. Zum frühzeitigen Erkennen einer
möglichen Überhitzung wird die Überhitzungs-Überwachungseinrichtung
in der oben beschriebenen Weise ausgebildet. Gemäß einem dritten
Aspekt der Erfindung ist nun vorgesehen, daß auf eine derart komforta
ble Überhitzungs-Überwachungseinrichtung in Verbindung mit einem
Überhitzungs-Temperaturfühler verzichtet werden kann. Die Ausfüh
rungsform nach diesem dritten Aspekt der Erfindung kann zwar auch die
Ausgestaltung der Überhitzungs-Überwachungseinrichtung in der oben
beschriebenen Art beinhalten, in einer zwar nicht ganz so günstigen,
aber dafür billigeren Ausgestaltung wird dabei jedoch die Gefahr einer
möglichen Überhitzung bei nicht-zirkulierendem Wärmeträger (welcher
Zustand speziell bei fehlender Bypass-Leitung auftreten kann, wie oben
erläutert wurde) dadurch ausgeschlossen, daß der Wärmeträger-
Temperaturfühler auf der Wärmeträger-Auslaßseite des Wärmetauschers,
speziell der Wasseraustrittsseite angeordnet ist und das Steuergerät den
von dem Wärmeträger-Temperaturfühler gemessenen Temperaturwert zu
einem Gradientensignal auswertet, das mit einem Gradienten-
Schwellenwert verglichen wird, um das Gerät bei einem zu raschen
Temperaturanstieg abzuschalten.
Während bei dem oben erläuterten ersten Aspekt der Erfindung der
Temperaturgradient des von dem Überhitzungs-Temperaturfühler gelie
ferten Signals ermittelt wird, wird gemäß dem dritten Aspekt der Erfin
dung der Gradient des von dem Wärmeträger-Temperaturfühler geliefer
ten Temperaturwerts gebildet und zum Erkennen einer möglichen Er
hitzung herangezogen. Diese Variante der Erfindung kann auch mit
einem konventionellen Überhitzungs-Schalter oder dergleichen realisiert
werden, hat dabei aber den Nachteil, daß die Regelung der Wärme
träger-Temperatur auf den gewünschten Sollwert auf der Grundlage
eines Ist-Temperatursignals erfolgt, welches nicht an der Eintrittsseite,
sondern an der Austrittsseite des Wärmetauschers abgenommen wird. An
dieser wasseraustrittsseitigen Stelle des Wärmetauschers ist dessen Tem
peratur stärkeren Schwankungen unterworfen als am wassereintrittsseiti
gen Ende. Deshalb ist die Regelung weniger stabil und weniger kom
fortabel. Dieser Nachteil wird also durch die kostengünstigere Ausfüh
rung der - aus Sicherheitsgründen auf jeden Fall vorhandenen - Über
hitzungs-Überwachungseinrichtung erkauft.
Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, sind auf jeden Fall ein
Wärmeträger-Temperaturfühler und ein Überhitzungs-Temperaturfühler
vorhanden, wenn auf den früher üblichen Überhitzungs-Schalter oder die
Überhitzungs-Schmelzsicherung verzichtet werden soll. Bislang war es
üblich, die beiden Temperaturfühler an unterschiedlichen Stellen des
Fahrzeugheizgeräts anzuordnen. Dabei wurde der zur Regelung benötigte
Wärmeträger-Temperaturfühler an der Wassereintrittsseite oder Wasser
austrittsseite des Wärmetauschers angeordnet, während der Über
hitzungs-Temperaturfühler an einer davon entfernten Stelle, in der Regel
am Ende des Flammrohrs, angeordnet wurde. Zur Anbringung dieser
Temperaturfühler mußten in dem äußeren Wassermantel des Wärme
tauschers zwei Aufnahmeöffnungen ausgebildet werden.
In einem speziellen, vierten Aspekt der Erfindung wird zur Vereinfa
chung eine Temperaturfühleranordnung geschaffen, die eine einfache
Konstruktion besitzt insbesondere eine einfachere Montage an dem Fahr
zeugheizgerät zuläßt.
Hierzu sieht die Erfindung vor, daß der Wärmeträger-Temperaturfühler
und der Überhitzungs-Temperaturfühler zu einem einteiligen Kombina
tions-Fühlelement zusammengefaßt sind.
Dieses Kombinations-Fühlelement weist folgende Merkmale auf:
- - einen Trägerabschnitt, der in einer Öffnung des Außengehäuses des Wärmetauschers aufgenommen wird,
- - einen sich an einem Ende des Trägerabschnitts anschließenden Wärmeträger-Temperaturfühler, und
- - einen sich an dem selben Ende des Trägerabschnitts neben dem Wärmeträger-Temperaturfühler anschließenden Überhitzungs- Temperaturfühler.
Die Montage dieses Kombinations-Fühlelements ist im wesentlichen so
einfach wie die Montage früher üblicher Temperaturfühler, wobei aber
im Fall des Kombinations-Fühlelements nur ein einzelner Montageschritt
notwendig ist, um beide Fühler an dem Gerät anzubringen. Naturgemäß
befinden sich die beiden Fühler in enger Nachbarschaft. Weil der
Überhitzungs-Temperaturfühler die Temperatur im Bereich des
Gasmantels fühlen soll, der Wärmeträger-Temperaturfühler aber die
Temperatur des Wärmeträgers erfassen soll, sieht die Erfindung vor, daß
die von dem Trägerabschnitt ausgemessene Länge des Wärmeträger-
Temperaturfühlers geringer ist als diejenige des Überhitzungs-
Temperaturfühlers. Das von außen in das Gehäuse eingeschraubte oder
anderweitig befestigte Fühlelement hält somit den Wärmeträger-
Temperaturfühler in einigem Abstand von dem Gasmantel, während der
Überhitzungs-Temperaturfühler in direktem Kontakt mit dem Gasmantel
oder zumindest in sehr großer Nähe zu dem Gasmantel steht, so daß
eine Überhitzung im Endbereich des Flammrohrs von dem
Überhitzungs-Temperaturfühler schnell erfaßt werden kann, während von
dieser Überhitzung der Wärmeträger-Temperaturfühler nicht oder nur
wenig beeinflußt wird. Damit kann letzterer ein Ist-Wärmeträger-
Temperatursignal liefern, welches eine stabile Regelung der Temperatur
des Fahrzeugheizgeräts ermöglicht. Die beiden Fühler können entweder
in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen
untergebracht sein.
Im Fall einer drohenden Überhitzung besteht die in den meisten Fällen
wirksamste Gegenmaßnahme in der Abschaltung des Brenners.
Alternativ und zusätzlich können aber auch noch andere
Gegenmaßnahmen im Fall einer drohenden Überhitzung ergriffen
werden: Man kann die Brennerleistung herunterfahren, um dann zu
überprüfen, ob sich aufgrund der verringerten Brennerleistung der
Temperaturanstieg am Überhitzungs-Temperaturfühler stoppen oder gar
rückgängig machen läßt. Man kann auch eine Warnmeldung erzeugen,
so daß zum Beispiel im Fall einer Fahrzeugheizung dem Fahrer
akustisch oder optisch eine Betriebsstörung signalisiert wird. Der Fahrer
kann dann entscheiden, ob er das Fahrzeugheizgerät von Hand
ausschaltet und/oder nach der Ursache der Störung sucht. Da es sich
jedoch bei den Gegenmaßnahmen um eine Sicherheitsmaßnahme handelt,
wird die Warnmeldung in aller Regel zusätzlich zu dem Herunterfahren
der Brennerleistung bzw. zu der Störabschaltung des Brenners erzeugt.
Ist zum Beispiel die Zirkulation des Wärmeträgers durch teilweises
Verstopfen oder Knicken einer Leitung behindert, so erhöht sich die
Temperatur am Wärmetauscher relativ schnell. Dennoch kann
möglicherweise das Fahrzeugheizgerät weiter genutzt werden, wenn auch
nur mit verminderter Leistung. Eine vollständige Abschaltung des
Brenners wäre dann eine übertriebene Maßnahme, eine Verringerung der
Brennerleistung hat demgegenüber den Vorteil, daß zumindest noch eine
Notbeheizung des Fahrgastraums stattfinden kann.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugheizgeräts,
Fig. 2 eine Schaltungsskizze der Steuerung des Heizgeräts mit
Überhitzungs-Überwachungseinrichtung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Verlaufs des Widerstands in
Abhängigkeit der Temperatur bei einem PTC-Element,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wärmeträger-Kreis
laufs mit Fahrzeugheizgerät, Fahrzeug-Wärmetauscher und
Verbrennungsmotor;
Fig. 5 eine grafische Darstellung verschiedener Schwellenwerte
für die Temperaturregelung des Fahrzeugheizgeräts und für
die Überhitzungsüberwachung;
Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Wärme
tauschers des Fahrzeugheizgeräts mit der Stelle, wo ein
Kombinations-Fühlelement angeordnet ist,
Fig. 7 eine erste Variante einer Temperaturfühleranordnung in
Form des in Fig. 6 vereinfacht dargestellten Fühlerele
ments;
Fig. 8a und 8b eine Längsschnittansicht bzw. eine Querschnitts
ansicht einer weiteren Variante des in Fig. 6 schematisch
dargestellten Fühlelements, und
Fig. 9 eine weitere Variante des schematisch in Fig. 6 dargestell
ten Fühlelements.
In Fig. 1 ist ein Fahrzeugheizgerät dargestellt, dessen Hauptmerkmale
bekannt sind.
In einer an einen Brennerkopf 9 anschließenden Brennkammer 2 wird
eine Flamme erzeugt, wozu dem Brennerkopf von einem Verbrennungs
luftgebläse 4 Verbrennungsluft und über eine Brennstoffdosierpumpe 6
Brennstoff zugeführt wird. Der Brennstoff wird in dem hier als Ver
dampferbrenner ausgebildeten Brennerkopf 9 verdampft. Die Flamme
breitet sich in Fig. 1 nach rechts im Bereich eines Flammrohr 8 aus.
Das Flammrohr ist von einem Wärmetauscher 10 umgeben, bei dem es
sich um ein metallisches Doppelwandgehäuse mit einem inneren Gas
mantel 7 und einem äußeren Wassermantel 13 handelt.
Als Wärmeträger gelangt Wasser in Pfeilrichtung P2 über einen Einlaß
11 in den Wärmetauscher 10, um den Wärmetauscher 10 über eine
Wasserpumpe 12 in Pfeilrichtung P1 zu verlassen. Zwischen dem Gas
mantel 7 und dem Wassermantel 13 besitzt der Wärmetauscher 10 spi
ralförmige Gänge, in denen sich das durch den Wärmetauscher 10 strö
mende Wasser durch die heißen Gase erwärmt, welche auf der rechten
Seite des Flammrohrs 8 auftreten, auf die innere Stirnfläche des Gas
mantels 7 gelangen, um von dort zwischen der Außenseite des Flamm
rohrs 8 und dem Gasmantel 7 über einen Auspuff 5 auszutreten.
Die Funktionen der einzelnen Elemente des Fahrzeugheizgeräts werden
von einem einen Mikroprozessor aufweisenden Steuergerät 14 gesteuert
und geregelt. In der Nähe des Einlasses 11 befindet sich als Wärme
träger-Temperaturfühler ein Wassertemperaturfühler 20, dessen Aus
gangssignal auf das Steuergerät 14 gegeben wird. Am rechten Ende des
Wärmetauschers 10 befindet sich ein Überhitzungs-Temperaturfühler 22,
dessen Ausgangssignal ebenfalls auf das Steuergerät 14 gegeben wird.
Im vorliegenden Fall befindet sich der Überhitzungs-Temperaturfühler
22 in Berührung mit dem Gasmantel 7, so daß ein guter und rascher
Wärmeübergang von der Innenseite des Gasmantels 7 zu dem Über
hitzungs-Temperaturfühler 22 erfolgt.
Der Wassertemperaturfühler 20 befindet sich in einer Ausführungsform
der Erfindung in einem gewissen Abstand von dem Gasmantel 7, er
kann aber in einer anderen Ausführungsform auch mit dem Gasmantel 7
in Berührung stehen.
Der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ist im wesentlichen ähnlich wie
der zur Regelung dienende Wassertemperaturfühler 20 ausgebildet. In
beiden Fällen handelt es sich hier um ein PTC-Element.
Das Steuergerät 14 besitzt einen Mikroprozessor zur Auswertung ver
schiedener Signale, von denen hier die Signale von den beiden Tempera
turfühlern 20 und 22 interessieren. Außerdem ist in dem Steuergerät 14
noch eine von der Mikroprozessorsteuerung unabhängige Schaltung
vorgesehen, die im Fall eines Ausfalls des Mikroprozessors oder im
Falle eines Programmfehlers gegebenenfalls dennoch eine Sperrung der
Brennstoffzufuhr zu dem Brenner gewährleistet. Wie in Fig. 2 gezeigt
ist, geben die beiden Temperaturfühler 20 und 22 an einen Mikropro
zessor 30 ein Signal "WRT" bzw. "ÜFT". Bei dem Signal WRT auf der
Leitung 32 handelt es sich um einen Spannungswert, welcher der
Wassertemperatur entspricht. Bei dem Signal ÜFT auf der Leitung 34
handelt es sich um einen Spannungswert, welcher der Temperatur am
Wärmetauscher entspricht.
Die Signale auf den Leitungen 32 und 34 werden einer Analog-Digi
talumsetzung unterzogen und von dem Mikroprozessor 30 nach bestimm
ten Kriterien ausgewertet. Sinkt z. B. die Temperatur an dem Wasser-
Temperaturfühler 20, d. h. nimmt die Spannung des Signals WRT ab,
während die Temperatur am Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ansteigt,
d. h. während die Signalspannung des Signals ÜFT ansteigt, so droht ein
Überhitzungszustand. Über einen Ausgang BPT
(Brennstoffpumpentreiber) gibt der Mikroprozessor 30 Treiberimpulse
über ein Verknüpfungsgatter 40, hier ein UND-Glied 38, an einen
Transistor-Treiber Tr der Brennstoffdosierpumpe 6, so daß diese
abhängig von den Treiberimpulsen am Ausgang BPT des
Mikroprozessors 30 betrieben wird. Im Fall der möglichen Überhitzung
wird das Ausgangssignal am Ausgang BPT gesperrt. Das Tastverhältnis
der Impulse am Ausgang BPT, d. h. die auf eine bestimmte
Impulsperiodendauer bezogene Öffnungszeit des Treiber-Transistor Tr
wird von dem Mikroprozessor 30 unter anderem in Abhängigkeit von
der von dem Wassertemperaturfühler 20 in Form des Signals WRT
gelieferten Temperatur eingestellt. Die Regelung ist derart pro
grammiert, daß am Ausgang BPT ein intermittierendes Signal zum
Öffnen des Treiber-Transistors Tr geliefert wird, bis der Mikropro
zessor 30 bei Erreichen eines oberen Regel-Schwellenwerts des Signals
WRT den Treiber-Transistor Tr ausschaltet, während er ihn einschaltet,
wenn das für die Wassertemperatur maßgebliche Signal WRT unter
einen unteren Regel-Schwellenwert absinkt.
Es könnte nun sein, daß ein Softwarefehler den oben geschilderten Vor
gang des Sperrens des Ausgangssignals am Ausgang BPT des Mikro
prozessors 30 verhindert, sowohl im normalen Regelbetrieb, d. h., wenn
bei Erreichen des oberen Regel-Schwellenwerts die Brennstoffzufuhr
gesperrt wird, als auch im Fall einer drohenden Überhitzung. Dies kann
durch eine Störung im Mikroprozessor 30 bedingt sein, aber auch durch
einen Programmfehler. In diesem Fall ist aber hier dennoch
gewährleistet, daß vor einer schädlichen Überhitzung des
Fahrzeugheizgeräts die Brennstoffdosierpumpe 6 stillgesetzt wird.
Von der Leitung 34 geht eine Zweigleitung 36 ab, die zu einem
Schwellenwertschalter 38 führt, dessen Ausgang mit einem Eingang des
UND-Glieds 40 verbunden ist, dessen anderem Eingang das Ausgangs
signal vom Ausgang BPT des Mikroprozessors 30 zugeführt wird. Wenn
die Spannung auf der Leitung 34 über einen bestimmten Wert entspre
chend einer relativ hohen Temperatur am Überhitzungs-Temperaturfühler
22 ansteigt, so spricht der Schwellenwertschalter 38 hierauf an und
erzeugt an seinem Ausgang ein Signal mit niedrigem Pegel, wodurch das
UND-Gatter 40 gesperrt wird, so daß die Ausgangssignale vom Ausgang
BPT des Mikroprozessors 30 nicht an den Treibertransistor Tr gelangen
können. Die Brennstoffdosierpumpe 6 wird hierdurch stillgesetzt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Überhitzungs-Überwachungsschal
tung redundant ausgelegt. Der eine Weg zum Stillsetzen der Brennstoff
dosierpumpe führt über den Mikroprozessor, welcher die beiden Signale
auf den Leitungen 32 und 34 vergleicht und auswertet. Der andere Weg
führt parallel zu dem Mikroprozessor 30 über den Schwellenwertschalter
38.
Fig. 3 zeigt das Verhalten jedes der beiden Temperaturfühler 20 und 22,
die jeweils als PTC-Element ausgeführt sind. In einem Bereich zwischen
30° und 80°C ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der
erfaßten Temperatur und dem Widerstand des PTC-Elements. Der
Schwellenwertschalter 38 wird auf einen geeigneten Wert eingestellt.
Nachdem der Zustand der Überhitzung festgestellt ist, wird die Brenn
stoffzufuhr zu dem Brenner durch Stoppen der Brennstoffdosierpumpe 6
gesperrt. Wenn der Überhitzungszustand nicht mehr vorliegt, kann der
Betrieb des Brenners fortgesetzt werden, ohne daß irgendeine besondere
Manipulation erforderlich ist. Zweckmäßigerweise wird im Fall einer
Überhitzung ein Warnsignal erzeugt, welches dem Benutzer des Geräts
signalisiert, daß eine Überhitzung am Wärmetauscher stattgefunden hat.
Der Benutzer hat dann die Möglichkeit, das Gerät zu überprüfen und
gegebenenfalls etwaige Störungen zu beseitigen.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung er
läutert. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Erkennen eines drohen
den Überhitzungszustands ebenfalls anhand des von dem Überhitzungs-
Temperaturfühlers 22 gelieferten Signals ÜFT durch geeignete Auswer
tung seitens des Mikroprozessors 30.
Zunächst soll jedoch erläutert werden, wie und warum es unter anderem
zu einer Überhitzung am Wärmetauscher kommen kann.
Fig. 4 zeigt schematisch das in Fig. 1 dargestellte Heizgerät mit
Brennerkopf 9, Flammrohr 8 und Wärmetauscher 10. Schematisch ange
deutet sind auch der Wassertemperaturfühler 20 im Bereich des Ein
lasses des Wärmetauschers 10 und der Überhitzungs-Temperaturfühler
22 im Endbereich des Flammrohres 8.
Üblicherweise ist das Fahrzeugheizgerät in den Kühlkreislauf des Motors
des Kraftfahrzeugs integriert. Wie in Fig. 4 zu ersehen ist, steht der in
üblicher Weise mit dem Fahrzeugkühler verbundene Motor 100 mit dem
Einlaß des Wärmetauschers 10 in Verbindung. Der Auslaß des
Wärmetauschers 10 steht mit dem Eintritt eines Wärmetauschers (WT)
50 des Fahrzeugs in Verbindung. Der Austritt des Wärmetauschers 50
ist wieder mit dem Motor 100 verbunden. Bei dem Wärmetauscher 50
handelt es sich um den oder die "Heizkörper", mit denen z. B. der
Fahrzeuginnenraum beheizt wird. Über Schieber oder Ventile läßt sich
die Wärmezufuhr zu dem Wärmetauscher 50 sperren oder drosseln. Die
Umwälzung des Wärmeträgers (hier: Wasser) erfolgt mit Hilfe einer
Wasserpumpe 12.
Außerdem ist in Fig. 4 eine Bypass-Leitung BP dargestellt, deren Zweck
darin besteht, bei gesperrtem Wärmetauscher 50 ein Zirkulieren des
Wassers durch den Wärmetauscher 10 zu ermöglichen. Wie bekannt,
wird das Fahrzeugheizgerät derart geregelt, daß bei Einstellung einer
bestimmten Solltemperatur abhängig von der gefühlten Wassertemperatur
der Brenner ein- und ausgeschaltet wird. Liegt die von dem Wasser
temperaturfühler 20 ermittelte Wassertemperatur unterhalb eines für den
eingestellten Temperaturwert repräsentativen oberen Schwellenwerts, so
läuft der Brenner. Wird dieser Schwellenwert überschritten, so schaltet
die Regelung den Brenner aus. Entsprechendes gilt für einen unteren
Schwellenwert. Wenn nun der Wärmetauscher 50 gesperrt wird, weil
keine Heizleistung benötigt wird, so läuft der Brenner zunächst noch
weiter, weil und während die von dem Wassertemperaturfühler 20 er
mittelte Wassertemperatur noch unterhalb des oberen Schwellenwerts
liegt. Die Wasserpumpe 12 pumpt das Wasser über die Bypass-Leitung
BP durch den Wärmetauscher 10, so daß sich die Temperatur des
Wassers langsam erhöht, bis schließlich der obere Schwellenwert er
reicht ist und das Gerät abgeschaltet wird.
Aus verschiedenen Gründen möchte man auf die zusätzlichen Material-
und Arbeitsaufwand erfordernde Bypass-Leitung BP verzichten. Wird
ohne Bypass-Leitung BP der Wärmetauscher des Fahrzeugs 50 gesperrt,
so steht das Wasser in dem Wärmetauscher 10 praktisch still. Wenn der
Brenner läuft, erwärmt sich der Gasmantel und mithin das Wasser im
Endbereich des Flammrohrs 8 sehr schnell, während die Temperatur am
anderen Ende des Flammrohrs 8, d. h. im Bereich des Wassertempera
turfühlers 20 sich zunächst kaum ändert. Dies bedingt die Gefahr einer
Überhitzung, so daß man entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen
muß.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist nun vorgesehen,
daß das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gelieferte Signal
ÜFT von dem Mikroprozessor 30 (Fig. 2) zu einem Gradientensignal
ausgewertet wird, d. h. der Mikroprozessor 30 bildet in regelmäßigen
kurzen Zeitabständen den Quotienten aus Temperatur und Zeitspanne.
In Fig. 5 ist in einer grafischen Darstellung die Wassertemperatur T
über der Zeit t aufgetragen. Dargestellt sind eine obere und eine untere
Schwelle für das Heizgerät, wobei das Heizgerät ausschaltet, wenn die
von dem Wassertemperaturfühler 20 gefühlte Wassertemperatur die
obere Schwelle übersteigt, während das Gerät eingeschaltet wird, wenn
die Wassertemperatur die untere Schwelle unterschreitet. Anstelle des
Aus- und Einschaltens kann auch vorgesehen sein, daß der Brenner von
großer auf kleine Leistung umschaltet, und umgekehrt.
Oberhalb der oberen Schwelle ist noch eine Überhitzungsschwelle darge
stellt. Wenn das von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gelieferte
Signal ÜFT diesen Schwellenwert überschreitet, erfolgt ein Sperren des
Treibertransistors Tr, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet der Mikroprozessor 30 aus
dem Signal ÜFT ein Gradientensignal, also ein Signal, welches den
Temperaturanstieg des Gasmantels 7 am Ende des Flammrohrs 8
kennzeichnet. Wenn man nun annimmt, daß in Fig. 4 der Fahrzeug
wärmetauscher (WT) 50 gesperrt wird, während der Brenner noch in
Betrieb ist, so erfolgt keine Wasserzirkulation durch den Wasser
wärmetauscher 50, und dementsprechend praktisch keine Wasserbewe
gung innerhalb des Wärmetauschers 10 des Fahrzeugheizgerät. Deshalb
steigt in diesem Fall die Temperatur am Ende des Flammrohrs 8, also
die von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 gefühlte Temperatur
stärker an, als wenn z. B. der Fahrzeugwärmetauscher 50 nur etwas
gedrosselt würde. Letzterer Fall ist in Fig. 5 als "Normal" bezeichnet.
Im Fall der vollständigen Sperrung des Fahrzeugwärmetauschers 50 ist
das Gradientensignal dT/dt jedoch steiler als das mit "Normal" bezeich
nete Signal. Wenn diese Steilheit einen Gradienten-Schwellenwert SG
(=maximal zulässiger Wert von dT/dt) übersteigt, wird dies als
drohender Überhitzungszustand interpretiert, so daß der Mikroprozessor
30 die Brennstoffzufuhr in der oben beschriebenen Weise sperrt. Die
Regelung im Normalfall, also ohne Überhitzung bei geöffnetem
Fahrzeugwärmetauscher 50 erfolgt anhand des von dem
Wassertemperaturfühlers 20 gelieferten Signals so, wie es oben in
Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.
Anstelle der Bildung eines Gradientensignals aus dem von dem
Überhitzungs-Temperaturfühler gelieferten Ausgangssignal wird in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein
Differenzwert aus den von dem Überhitzungs-Temperaturfühler 22 und
dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler 20 gelieferten Meßwerten
gebildet, der Mikroprozessor 30 vergleicht diesen Differenzwert mit
einem vorher festgelegten Differenz-Schwellenwert. Die von den beiden
Temperaturfühlern 20 und 22 gelieferten Meßwerte dürfen bei
ordnungsgemäßem Betrieb des Geräts nur um einen bestimmten Betrag
voneinander abweichen. Ist die Abweichung größer, so bedeutet dies mit
hoher Wahrscheinlichkeit einen Überhitzungszustand oder einen
bevorstehenden Überhitzungszustand.
Die Ausgangssignale der beiden Temperaturfühler 20 und 22 können
noch für eine weitere Funktion genutzt werden: Im Normalbetrieb stehen
die von den beiden Temperaturfühlern gelieferten Meßsignale in einer
gewissen Beziehung, beispielsweise ist das von dem Überhitzungs-
Temperaturfühler 22 gelieferte Meßsignal stets etwas höher als das von
dem Wassertemperaturfühler 20 gelieferte Signal. Weichen die beiden
Werte um mehr als einen bestimmten Differenzbetrag voneinander ab,
so kann dies bedeuten, daß einer der beiden Temperaturfühler nicht
ordnungsgemäß funktioniert. In diesem Fall ist vorgesehen, daß
zumindest eine Warnmeldung erzeugt wird, sicherheitshalber erfolgt
auch eine Störabschaltung, so daß der defekte Temperaturfühler erst
ersetzt werden muß, bevor der Betrieb des Fahrzeugheizgeräts wieder
aufgenommen werden kann.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung anhand
der Fig. 4 und 5 erläutert, die gegenüber der zuletzt beschriebenen
Ausführungsform Kostenvorteile ermöglicht, jedoch in dem Regelkom
fort nicht ganz so günstig ist.
Wie rechts unten in Fig. 4 an dem Fahrzeugheizgerät angedeutet, kann
sich am Wasserauslaß des Wärmetauschers 10 ein Wassertemperaturfüh
ler 20′ befinden, der den wassereintrittsseitigen Temperaturfühler er
setzt. Der Wassertemperaturfühler 20′ am Wasseraustrittsende des Wär
metauschers 10 befindet sich in Berührung mit dem Gasmantel 7, ähn
lich wie der Überhitzungs-Temperatur 22. Letzterer kann ebenfalls als
Temperaturfühler ausgebildet sein, wie es oben erläutert wurde, es kann
sich aber auch einfach um eine Schalter- oder um eine Schmelzsicherung
handeln, wie es früher üblich war, um einen Schutz gegen eine mögliche
Überhitzung zu erreichen. Dadurch, daß der Wassertemperaturfühler 20′
sich am Wasseraustrittsende des Wärmetauschers 10 befindet, liefert er
ein Signal, welches sehr stark von den Temperaturverhältnissen am
Endbereich des Flammrohrs 8 abhängt. Kommt es zu einem Stillstand
oder Fast-Stillstand der Wasserbewegung in dem Wärmetauscher 10, so
erfaßt der mit dem Gasmantel 7 in Berührung stehende
Wassertemperaturfühler 20′ sehr schnell eine Temperaturerhöhung. Der
Mikroprozessor 30 kann diese Temperaturerhöhung des Signals WRT
des Wassertemperaturfühlers 20′ in ähnlicher Weise auswerten, wie es
bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform mit dem Signal ÜFT
geschieht. Das heißt: der Mikroprozessor 30 bildet aus dem von dem
Wassertemperaturfühler 20′ gelieferten Signal WRT in bestimmten
Zeitabständen ein Gradientensignal dT/dt, und wenn dieses
Gradientensignal einen Gradienten-Schwellenwert übersteigt, schaltet der
Mikroprozessor den Treibertransistor Tr der Brennstoffdosierpumpe ab.
Ein gewisser Nachteil bei dieser Ausführungsform besteht darin, daß die
Regelung des Fahrzeugheizgeräts auf der Grundlage der am wasseraus
trittseitigen Ende des Wärmetauschers 10 gefühlten Wärmeträgertempe
ratur erfolgt. Dieser Temperaturwert ist kurzfristigeren Schwankungen
durch den Betrieb des Brenners unterlegen, und diese Schwankungen
führen zu einem weniger stabilen Regelbetrieb, so daß die Temperaturen
am Fahrzeugwärmetauscher 50 nicht ganz so gleichmäßig geregelt
werden wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Wie oben erwähnt, wird bei der Ausführungsform, bei der der
Wärmeträger-Temperaturfühler 20 wassereintrittsseitig angeordnet ist,
außer dem Gradientenwert alternativ oder zusätzlich doch ein
Differenzwert aus den von den beiden Temperaturfühlern 20, 22
gelieferten Signalen gebildet, und dieser Differenzwert wird mit einem
Differenz-Schwellenwert verglichen, um einen (drohenden)
Überhitzungszustand zu erkennen. Diese Differenzwert-Bildung eignet
sich besonders gut für die oben angesprochene Variante des Geräts, bei
der der Wärmeträger-Temperaturfühler 20′ wasseraustrittsseitig
angeordnet ist. Die von den Temperaturfühlern 20′ und 22 an den
Mikroprozessor 30 gelieferten Meßsignale werden von dem
Mikroprozessor zu einem Differenzwert verarbeitet. Dies kann in
bestimmten zeitlichen Abständen erfolgen. Der jeweils gebildete
Differenzwert wird mit einem im Speicher des Mikroprozessors 30
abgelegten Differenz-Schwellenwert verglichen. Bei Überschreitung des
Schwellenwerts erfolgt eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr, oder es
werden andere Gegenmaßnahmen eingeleitet.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Varianten sind der Wassertempera
turfühler 20 einerseits und der Überhitzungs-Temperaturfühler 22 ande
rerseits räumlich voneinander getrennt, wobei sich der Wassertempera
turfühler 20 an der Wassereintrittsseite des Wärmetauschers 10 mit oder
ohne Berührung des Gasmantels 10 befindet, während sich der Über
hitzungs-Temperaturfühler 22 stets in Berührung mit dem Gasmantel 7
am Ende des Flammrohrs 8 befindet.
Man kann gemäß einem speziellen Aspekt der vorliegenden Erfindung
die beiden Temperaturfühler zu einem einzigen Bauteil F zusammen
fassen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt schematisch den (inneren) Gasmantel 7 und den (äußeren)
Wassermantel 13 des Wärmetauschers, wobei in einer Öffnung des
Wassermantels 17 ein Kombinations-Fühlelement F angeordnet ist,
welches mit einer Fühlfläche auf der Außenseite des Gasmantels 7 an
liegt, etwa im Bereich des rechten Endes des Flammrohrs 8.
Fig. 7 zeigt eine erste spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kombinations-Fühlelements F. Mit einem Trägerabschnitt 110 sitzt das
Fühlelement F in dem äußeren Wassermantel 13, wobei ein Kopf 111
des Fühlelements F etwas über die Außenfläche des Wassermantels 13
vorsteht. Durch das Fühlelement F erstrecken sich zwei Leitungspaare
(+) und (-) zu einem Wassertemperaturfühler 20a bzw. einem Über
hitzungs-Temperaturfühler 22a. Die Unterseite beider Temperaturfühler
20a, 22a steht mit der Außenseite des Gasmantels 7 in Berührung, wobei
die Breite des von Wasser durchströmten Zwischenraums zwischen den
Mänteln 7 und 13 mit l bezeichnet ist. Bei diesem Kombinations-Fühl
element F stehen beide Temperaturfühler 20a und 22a mit dem
Gasmantel 7 in Berührung.
Fig. 8a und 8b zeigen eine Längsschnittansicht bzw. eine Querschnitt
ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kombinations-Fühlele
ments. Das Kombinations-Fühlelement gemäß Fig. 8a, 8b unterscheidet
sich von dem Fühlelement nach Fig. 7 dadurch, daß der Überhitzungs-
Temperaturfühler 20b auf einer anderen Höhe liegt als der Wassertempe
raturfühler 20b. Die Stirnfläche des Überhitzungs-Temperaturfühlers 22b
kann somit an der Außenseite des Gasmantels 7 anliegen, während der
Wassertemperaturfühler 20b keinen Kontakt mit dem Gasmantel hat. Um
eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend auszuschließen, sind die
beiden Temperaturfühler 20b, 22b an einer Trennwand 113 getrennt.
Beide Temperaturfühler sind in einem gemeinsamen, abgestuft ausgebil
deten Gehäuse 112 aufgenommen.
Fig. 9 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 8a, 8b, wobei in
Fig. 9 jedoch der Wassertemperaturfühler 20c in einem eigenen Gehäuse
112b und der Überhitzungs-Temperaturfühler 22c in einem eigenen
Gehäuse 112a untergebracht sind. Der Überhitzungs-Temperaturfühler
22c ist länger als der Wassertemperaturfühler ausgebildet und kann
deshalb mit dem Gasmantel 7 in Berührung stehen.
Dem Fachmann ist klar, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen
jeweils für sich in einem Fahrzeugheizgerät realisiert werden können,
daß aber auch mehrere sinnvolle Kombinationen möglich sind. So zum
Beispiel läßt sich die in Fig. 2 dargestellte redundante Schaltung mit
dem Schwellenwertschalter 38 bei praktisch sämtlichen beschriebenen
Ausführungsformen vorsehen, so daß die Abschaltung des Brenners nicht
nur von dem Betriebs des Mikroprozessors 30, sondern auch von dem
redundanten Schaltungszweig abhängt. Dies erhöht die Sicherheit.
Während bei der als erstes beschriebenen Ausführungsform der Absolut
wert des von dem Überhitzungs-Temperaturfühlers 22 gelieferten Signals
ÜFT ausgewertet wird, und bei der als zweites beschriebenen Aus
führungsform aus dem Signal ÜFT ein Gradientenwert gebildet wird, ist
eine Kombination dieser Varianten äußerst sinnvoll, weil eine Über
hitzung auch dann stattfinden kann, wenn sich die Temperatur am Über
hitzungs-Temperaturfühler 22, d. h. am Gasmantel 7 in der Nähe des
Flammrohrendes, nur relativ langsam erhöht (niedriger Gradientenwert),
schließlich aber doch einen Absolutwert aufweist, der eine (kurz bevor
stehende) Überhitzung kennzeichnet. Auch in diesem Fall muß natürlich
sofort eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
Entsprechende Betrachtungen gelten auch für die Variante mit am
Wasseraustrittsende des Wärmetauschers angeordneten (Regel)-Wasser
temperaturfühler 20′. Unabhängig davon, wie schnell die Temperatur im
Bereich des Wassertemperaturfühlers 20′ ansteigt, muß eine Abschaltung
bei einer absoluten Temperatur erfolgen, welche einen Überhitzungs
zustand kennzeichnet. Wenn also die Überhitzungs-Überwachungsein
richtung anstelle eines Schalters einen Temperaturfühler aufweist, muß
die Abschaltung erfolgen, wenn das von diesem Temperaturfühler gelie
ferte Signal über dem Schwellenwert liegt, der in Fig. 5 oben mit
"Überhitzung" bezeichnet ist.
Das in den Fig. 7 bis 9 dargestellte Kombinations-Fühlelement läßt sich
grundsätzlich bei sämtlichen oben beschriebenen Fahrzeugheizgeräten
einsetzen, wobei aber insbesondere die Varianten nach Fig. 8a, b und 9
deshalb günstig sind, weil sich der Überhitzungs-Temperaturfühler in
Berührung mit dem Gasmantel befindet, der Wassertemperaturfühler
hingegen nicht.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden als
Temperaturfühler PTC-Elemente verwendet. Statt dieser PTC-Elemente
können aber auch NTC-Elemente eingesetzt werden. Anstelle der oben
angesprochenen Störabschaltung des Brenners durch Sperren der
Brennstoffzufuhr zu dem Brenner kann es in gewissen Fällen ausreichen,
wenn der Brenner nicht stillgesetzt, sondern lediglich die Brennerleistung
heruntergefahren wird. Dies kann zum Beispiel sinnvoll sein, wenn die
Wärmeträgerzirkulation beispielsweise durch ein abgeknicktes Rohr oder
dergleichen behindert wird. Zusätzlich zu der Störabschaltung oder der
Verringerung der Brennerleistung sollte aber im Fall eines Ansprechens
der Überhitzungs-Überwachungseinrichtung zweckmäßigerweise eine
Warnmeldung erzeugt werden, so daß der Benutzer durch einen
optischen oder akustischen Signalgeber darüber informiert wird, daß das
Fahrzeugheizgerät nicht ordnungsgemäß arbeitet.
Claims (14)
1. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer
Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn
stoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr eine
Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher (10), der über einen Gas
mantel (7) von dem das Flammrohr aufnehmenden Raum getrennt
ist und durch den ein Wärmeträger, z. B. Wasser, gepumpt wird,
einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20, 20′), der die Wärme
trägertemperatur mißt, einem Steuergerät (14), welches den Betrieb
des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen Wärme
trägertemperatur regelt, und einem Überhitzungs-Temperaturfühler
(22) der an das Steuergerät (14) angeschlossen ist, das auf eine am
Wärmetauscher (10) auftretende Überhitzung anspricht, um den
Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoffzufuhr stillzusetzen
oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten, wenn ein von dem
Überhitzungs-Temperaturfühler (22) abgeleitetes Signal einen
Schwellenwert überschreitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Überhitzungs-Temperaturfühler (22) in der Nähe des
Flammrohrendes in Berührung mit dem Gasmantel angeordnet ist,
und daß das Steuergerät aus dem Ausgangssignal des Überhitzungs-
Temperaturfühlers (22) ein Gradientensignal erzeugt, welches mit
einem Gradienten-Schwellenwert verglichen wird, und/oder den
Differenzwert aus dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler
(20, 20′) und dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) gelieferten
Ausgangssignalen bildet und den Differenzwert mit einem
Differenz-Schwellenwert vergleicht.
2. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) in der Nähe des
Wärmeträgereintritts (11) insbesondere wassereintrittsseitig
bezüglich des Wärmetauschers (10) angeordnet ist.
3. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) mit dem Gasmantel (7)
in Berührung steht.
4. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuergerät den von dem Wärmeträger-Temperaturfühler
(20) gelieferten Temperaturwert mit dem von dem Überhitzungs-
Temperaturfühler (22) gelieferten Temperaturwert vergleicht und bei
Feststellen einer Überschreitung eines vorgegebenen Differenz
betrags Gegenmaßnahmen veranlaßt, insbesondere eine Störab
schaltung vornimmt.
5. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer
Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn
stoff einem Brenner zuführen, welcher eine Flamme erzeugt, einem
Wärmetauscher (10), durch den ein Wärmeträger (10), z. B. Wasser,
gepumpt wird, einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20), der die
Wärmeträgertemperatur mißt, einem Steuergerät (14), welches den
Betrieb des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen
Wärmeträgertemperatur regelt, und einem Überhitzungs-
Temperaturfühler (22), der an das Steuergerät (14) angeschlossen
ist, das auf eine am Wärmetauscher auftretende Überhitzung an
spricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der Brennstoff
zufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen einzuleiten, wenn
ein von dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) abgeleitetes Signal
einen Schwellenwert überschreitet, insbesondere nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuergerät einen Mikroprozessor (30) enthält, dem die
Meßsignale von dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20) und dem
Überhitzungs-Temperaturfühler (22) zur Auswertung zugeführt
werden, und daß parallel zu dem Mikroprozessor ein einen
Schwellenwertschalter (38) enthaltender Stromkreis liegt, wobei ein
Ausgangssignal des Schwellenwertschalters die Brennstoffzufuhr zu
dem Brenner sperrt oder zum Einleiten anderer Gegenmaßnahmen
herangezogen wird.
6. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mikroprozessor (30) zum Ermitteln eines Überhitzungs
zustands feststellt, ob sich die beiden Temperaturwerte gleichsinnig
ändern, ob ein Mindesttemperaturabstand beider Fühler gegeben ist,
und/oder ob der Wärmeträger-Temperaturfühler (20) nicht einen
höheren Temperaturwert liefert als der Überhitzungs-Temperatur
fühler (22).
7. Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Brennstoffdosiereinrichtung eine Treiberschaltung (tr),
vorgesehen ist, der von dem Steuergerät Treiberimpulse für den
getakteten Betrieb der Brennstoffdosiereinrichtung (6) zugeführt
werden, und daß der Ausgang des Schwellenwertschalters (28) mit
einem Eingang eines logischen Verknüpfungsglieds (40) verbunden
ist, dessen anderem Eingang die Treiberimpulse zugeführt werden.
8. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Temperaturfühler (20, 22) als PTC-Elemente oder als
NTC-Elemente ausgebildet sind.
9. Fahrzeugheizgerät, mit einem Verbrennungsluftgebläse (4) und einer
Brennstoffdosiereinrichtung (6), die Verbrennungsluft und Brenn
stoff einem Brenner zuführen, welcher in einem Flammrohr (8) eine
Flamme erzeugt, einem Wärmetauscher (10), der über einen Gas
mantel (7) von dem das Gasflammrohr (8) aufnehmenden Raum
getrennt ist und durch den ein Wärmeträger, z. B. Wasser, gepumpt
wird, einem Wärmeträger-Temperaturfühler (20′), der die Wärme
trägertemperaturen mißt, einem Steuergerät (14), welches den Be
trieb des Geräts in Abhängigkeit zumindest von der gemessenen
Wärmeträgertemperatur regelt, und einem Überhitzungs-Tempera
turfühler (22), der auf eine am Wärmetauscher auftretende Über
hitzung anspricht, um den Betrieb des Geräts durch Sperren der
Brennstoffzufuhr stillzusetzen oder andere Gegenmaßnahmen ein
zuleiten, insbesondere nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20′) am Ausgang des
Wärmetauschers (10) angeordnet ist, und das Steuergerät den von
dem Wärmeträger-Temperaturfühler (20′) gemessene Temperatur
wert zu einem Gradientensignal auswertet, das mit einem
Gradienten-Schwellenwert verglichen wird, und/oder das Steuergerät
den Differenzwert aus dem von dem Wärmeträger-Temperaturfühler
(20, 20′) und dem Überhitzungs-Temperaturfühler (22) gelieferten
Ausgangssignalen bildet und den Differenzwert mit einem
Differenz-Schwellenwert vergleicht, um bei zu raschem Temperatur
anstieg eine Gegenmaßnahme einzuleiten.
10. Temperaturfühleranordnung für ein Fahrzeugheizgerät, insbesonde
re ein Fahrzeugheizgerät nach Anspruch 1, 5 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträger-Temperaturfühler (20a, 20b, 20c) und der
Überhitzungstemperaturfühler (22a, 22b, 22c) zu einem gemein
samen Kombinations-Fühlelement (F) zusammengefaßt sind.
11. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kombinations-Fühlelement aufweist:
- - einen Trägerabschnitt (110), der in einer Öffnung des Außenge häuses (13) des Wärmetauschers (10) aufgenommen wird,
- - einen sich an einem Ende des Trägerabschnitts anschließenden Regelfühler (20a, 20b, 20c), und
- - einen sich von demselben Ende des Trägerabschnitts (110) neben dem Regelfühler anschließenden Überhitzungsfühler (22a, 22b, 22c).
12. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Trägerabschnitt (110) ausgemessene Länge des Re
gelfühlers (20b, 20c) geringer ist als diejenige (l) des Über
hitzungsfühlers (22b, 22c).
13. Temperaturfühleranordnung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelfühler und der Überhitzungsfühler in einem gemein
samen Gehäuse (112) aufgenommen sind.
14. Fahrzeugheizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Gegenmaßnahme im Fall einer drohenden Überhitzung
- - die Brennerleistung verringert wird, oder
- - eine Störabschaltung vorgenommen und/oder
- - eine Warnmeldung erzeugt wird.
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WO1995018023A1 (de) | 1995-07-06 |
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Legal Events
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: J. EBERSPAECHER GMBH & CO., 73730 ESSLINGEN, DE |
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8331 | Complete revocation |